DIKLAT BERBASIS KOMPETENSI
PENGENALAN PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK Kode kursus : C 0200 1033
Jenjang I
PT PLN (PERSERO) JASA PENDIDIKAN DAN PELATIHAN UNIT DIKLAT SEMARANG
KATA PENGANTAR Diklat Pengenalan Proteksi Sistem Tenaga Listrik merupakan diklat jenjang I dalam bidang sistem proteksi. Materi yang disampaikan meliputi prinsip dasar proteksi untuk seluruh sistem tenaga listrik mulai dari pembangkitan sampai dengan distribusi. Dengan mempelajari dasar sistem proteksi pada seluruh sistem diharapkan memberikan manfaat dalam mempelajari sistem proteksi pada tingkat yang lebih tinggi dan spesifik. Diklat ini juga bermanfaat bagi mereka yang bekerja bukan dalam bidang proteksi namun dalam pekerjaannya terkait dengan sistem proteksi. Untuk
mengefektifkan
serta
mempermudah
proses
pembelajaran
khususnya bagi para pemula, maka sistematika diklat dimulai dari membahas sistem yang paling sederhana yaitu sistem proteksi distribusi. Selanjutnya secara berurutan diteruskan mempelajari sistem yang lebih kompleks yaitu proteksi trafo kemudian proteksi penghantar terakhir pembangkit. Sesuai dengan kaidah dasar diklat jenjang I, maka pembelajaran dilaksanakan didalam kelas saja (In Class Training), tidak ada On the Job Training. Namun untuk menunjang pemahaman peserta, selama belajar di kelas diberikan pula peragaan dengan peralatan-peralatan sesuai dengan yang terpasang di lapangan. Besar harapan para penyusun agar diklat ini bermanfaat baik bagi para peserta kursus maupun perusahaan. Para penyususn juga mengucapkan terima kasih atas bantuan dari berbagai pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu. Selanjutnya kritik dan saran dari para pembaca dan peserta diklat sangat diharapkan demi perbaikan buku dan diklat ini. Semarang, 27 Desember 2007, Tim Penyusun
i
TIM PENYUSUN (Sesuai SK Manajer Udiklat Semarang)
Sugiartho Udji Widayat Sukirno Satto Riyanto Burhanuddin Arifin Gulung Suyoto Ida Bagus Anom Arsana Martin Ichwandono
(Dasar Proteksi, Final Editor) (Proteksi Distribusi) (Proteksi Distribusi) (Proteksi Trafo dan Busbar) (Proteksi Trafo dan Busbar) (Proteksi Penghantar) (Proteksi Pembangkit) (Proteksi Pembangkit)
ii
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR
i
DAFTAR ISI
iii
BAB I. DASAR PROTEKSI PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK
1
1.1. Fault Clearing System (FCS)
2
1.1.1. Trafo instrumen
3
1.1.2. Relai
5
1.1.3. Pemutus Tenaga (PMT)
6
1.1.4. Sumber arus searah (DC source)
7
1.1.5. Pengawatan
7
1.1.6. Sistem Komunikasi
7
I.2. Persyaratan unjuk kerja sistem proteksi
8
1.3. Gangguan pada sistem tenaga listrik
9
1.3.1. Gangguan hubung singkat
9
1.3.2. Hal-hal yang terkait dengan gangguan tanah
12
BAB II. PROTEKSI SISTEM DISTRIBUSI
13
2.1. Sistem Distribusi
13
2.2. Pengaman sistem distribusi
15
2.2.1. Pentanahan Sistem Distribusi
15
2.2.2. Pola Pengaman Sistem Distribusi
16
2.3. Fuse / pengaman lebur
19
2.3.1. Prinsip Kerja Pengaman Lebur
19
2.3.2. Konstruksi Pengaman Lebur
19
2.3.3. Karakteristik Fuse / Pengaman Lebur
19
2.4. Relai arus lebih
23
2.4.1. Karakteristik Relai Arus Lebih
23
2.4.2. Sambungan relai arus lebih
25
2.4.3. Relai Arus Lebih Berarah
25
iii
2.5. PBO dan SSO
26
2.5.1. Penutup balik otomatis
26
2.5.2. Saklar seksi otomatis
28
2.6. Relai frekuensi kurang
30
BAB III. PROTEKSI TRAFO DAN BUSBAR31 BUSBAR31 3.1. Proteksi transformator
31
3.1.1. Proteksi elektrik
31
3.1.2. Relai Differensial
33
3.1.3. Wiring Diferensial
35
3.1.4. Relai diferensial impedansi tinggi
37
3.2. Proteksi busbar
37
3.2.1. Proteksi busbar tunggal
37
3.2.2. Proteksi busbar ganda
38
BAB IV. PROTEKSI PENGHANTAR
40
4.1. Rele jarak
41
4.1.1. Pemasangan Relai Jarak
41
4.1.2. Karakteristik Rele Jarak
42
4.1.3. Penyetelan Daerah Kerja Rele Jarak
46
4.2. Tele proteksi
47
4.3. Pengaman Saluran Kabel Tegangan Tinggi (SKTT)
49
4.4. Relai penunjang sistem Proteksi Penghantar
51
4.4.1. Recloser
51
4.4.2. Rele synchro check
53
BAB V. PROTEKSI PEMBANGKIT54 PEMBANGKIT54 5.1. Gejala gangguan pada Generator
54
5.1.1. Gangaguan listrik
54
5.1.2. Gangguan Mekanis / panas
55
5.1.3. Gangguan sistem
56
5.1.4 Jenis gangguan dan jenis relai proteksi generator
57
iv
5.2. Diagram proteksi generator
59
5.2.1. Generator dengan kapasitas kecil
59
5.2.2. Pembangkit dengan kapasitas besar
59
5.2.2.1. Proteksi Generator PLTU
59
5.2.2.2. Proteksi Generator PLTG
63
5.2.2.3. Proteksi Generator PLTP
65
5.2.2.4. Proteksi Generator PLTA
67
5.2.2.5. Proteksi Generator PLTD
68
5.3. Prinsip kerja dan karakteristik relai proteksi Pembangkit
69
5.3.1. Relai Arus Lebih
69
5.3.2. Relai Diferensial
70
5.3.3. Relai stator hubung tanah
70
5.3.4. Proteksi rotor hubung tanah
71
5.3.5. Relai Arus Lebih Urutan negatip
71
5.3.6. Relai Fluksi Lebih
72
5.3.7. Relai Daya Balik
73
5.3.8. Relai kehilangan Penguat medan
75
5.3.9. Relai Lepas Sinkron
78
5.3.10. Relai tegangan seimbang
78
5.3.11. Relai tegangan Lebih dan tegangan kurang
80
5.3.12. Relai jarak
80
LAMPIRAN
i
DAFTAR PUSTAKA
iii
v
BAB I DASAR PROTEKSI SISTEM TENAGA LISTRIK LISTRIK Suatu sistem tenaga listrik terdiri dari rangkaian peralatan yang sangat memungkinkan untuk mengalami gangguan, baik sebagai akibat dari faktor luar maupun dari kerusakan peralatan itu sendiri. Untuk itulah diperlukan sistem proteksi yang pada prinsipnya bertugas sebagai berikut : 1. Mendeteksi gangguan yang terjadi dengan cara mengenali gejala gangguan yang dapat berupa perubahan besaran tegangan, arus, sudut fasa maupun frekuensi. 2. Membebaskan (memisahkan) bagian sistem yang terganggu dari sistem yang tidak terganggu. Sistem proteksi tidak bisa menghilangkan datangnya gangguan, namun dengan adanya sistem proteksi yang bekerja dengan baik maka beberapa kerugian dan kemungkinan timbulnya bahaya atau kerusakan dapat dihindarkan. Berikut ini adalah beberapa manfaat dari adanya sistem proteksi : 1. Mencegah kerusakan lebih jauh dari peralatan yang terganggu. Peralatan yang terganggu tentu telah mengalami kelainan atau kerusakan awal. Apabila peralatan tersebut tidak dibebaskan dari tegangan tentu kerusakan akan menjadi semakin besar. 2. Mencegah bahaya terhadap manusia dan properti. Gangguan hubung singkat yang melalui peralatan atau properti (misal rumah, pohon) tentu akan membahayakan kalau tidak segera dibebaskan dari tegangan, karena semua benda yang bersentuhan dengan sistem akan mempunyai tegangan sentuh yang membahayakan bagi manusia. 3. Mencegah meluasnya pemadaman atau gangguan. Bila gangguan yang terjadi pada suatu tempat tidak segera dipisahkan, maka gejala gangguan akan dirasakan oleh seluruh atau sebagian besar sistem sehingga bisa menimbulkan gangguan yang meluas atau bahkan bisa mengakibatkan pemadaman total (black out).
1
4. Mengurangi stress pada peralatan yang tidak terganggu. Gejala gangguan yang terjadi pada suatu tempat akan dirasakan oleh peralatan yang tidak terganggua disekelilingnya. Misalnya gangguan hubung singkat maka akan mengalirkan arus yang sangat besar yang melewati komponen sistem (peralatan) disekitarnya dan ini menimbulkan stress pada peralatan tersebut yang pada akhirnya bisa mengurangi umur (life time) peralatan. Pemilik sistem tenaga listrik tentu berharap setiap saat proteksi yang terpasang bisa bekerja normal sesuai yang diharapkan. Namun demikian perlu dimaklumi bahwa proteksi itu sendiri merupakan rangkaian dari beberapa peralatan yang masing-masing mempunyai kemungkinan rusak atau gagal beroperasi. Semakin besar harapan yang diminta akan semakin besar pula sumber daya yang harus diberikan pada sistem proteksi. Untuk itu diperlukan keputusan yang logis, yang mempertimbangkan keseimbangan antara tingkat keperluan dan biaya yang harus dikeluarkan. Sebagai contoh kompleksitas proteksi pada sistem tegangan menengah tentu tidak perlu sama dengan proteksi pada sistem tegangan tinggi. 1.1. Fault Clearing System (FCS). Implementasi suatu sistem proteksi pada dasarnya diwujudkan sebagai rangkaian peralatan yang saling terkait dan bekerja sama. Rangkaian peralatan tersebut dinamakan Fault Clearing System, sebagaimana disampaikan dalam gambar I-1, sedangkan peralatan-peralatan yang dirangkai adalah
sebagai
berikut : 1. Trafo instrumen (instrument transformer) 2. Relai (Relay) 3. Pemutus Tenaga (Circuit breaker) 4. Suplai arus searah (DC supply) 5. Pengawatan (Wiring) 6. Sistem telekomunikasi (Communication system)
2
HV / MV
PT
PMT
CT Relai
Suplai DC
Gambar 11-1 Fault Clearing System 1.1.1. Trafo instrumen instrumen Berupa trafo arus (current transformer/CT) dan trafo tegangan (potential transformer/PT). Trafo arus berfungsi untuk mendeteksi arus yang mengalir pada sistem tenaga kemudian mentransfer ke arus yang cukup kecil sehingga bisa dipakai sebagai masukan Relai atau alat ukur. Dengan adanya trafo arus maka gangguan arus lebih dapat dideteksi. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan trafo arus : 1. Ratio, adalah perbandingan antara arus primer dengan arus sekunder. Ratio CT dinyatakan 1000/5 artinya bila sisi primer mengalir arus 1000 amper maka sisi sekunder mengalir arus 5 amper. Sisi sekunder trafo arus sudah tertentu yaitu 1 amper atau 5 amper. 2. Klas ketelitian, adalah ukuran kesalahan. Klas ketelitian CT pengukuran berbeda dengan CT proteksi. Klas CT proteksi ditulis 5P20 artinya ketika CT dialiri arus sebesar 20 kali nominal, kesalahannya maksimum 5%. 3. Kejenuhan. CT proteksi bekerja pada arus yang sangat besar karena harus mampu mendeteksi arus gangguanyang besarnya bisa 20 kali arus 3
nominalnya atau lebih. Dalam keadaan seperti ini, CT tidak boleh jenuh karena kalau jenuh maka arus sekunder menjadi kecil sekali. CT pengukuran dibuat cepat jenuh karena arus yang diukur besarnya hanya sekitar arus nominalnya saja. 4. Burden, menyatakan kemampuan CT pada beban nominal dalam volt amper (VA), perlu diperhatikan pada CT pengukuran. Burden 50 VA dengan arus sekunder 5 amper, maka tegangan maksimum 50/5 atau 10 volt, jadi peralatan yang terrangkai dengan CT mempunyai impedansi maksimum 10/5 atau 2 ohm. Trafo tegangan berfungsi untuk mendeteksi tegangan pada sistem tenaga kemudian mentransfer ke tegangan rendah (110/ 3 atau 100/ 3 volt) untuk dipakai sebagai masukan Relai atau alat ukur. Dengan adanya trafo tegangan maka terjadinya gangguan tegangan baik lebih atau kurang bisa dideteksi.
Gambar 11-2. Konstruksi CT. CT.
4
1.1.2. 1.1.2. Relai. Merupakan peralatan pengambil keputusan dalam sistem proteksi. Dengan melihat masukan dari trafo instrumen dan mempertimbangkan setting yang diterapkan pada relai tersebut, maka relai dapat mengambil keputusan untuk memberi order trip atau tidak kepada peralatan pemutus (PMT). Ada banyak macam relai yang digunakan sesuai dengan keperluan peralatan yang diproteksi. Relai harus mempunyai kecepatan kerja. Dari waktu ke waktu relai telah berkembang dari sistem elektro mekanik menjadi sistem elektronik, kemudian microprocessor. Relai menjadi numerik dan saat ini sudah banyak yang berbasis microprocessor pada generasi terakhir memberikan unjuk kerja yang lebih baik serta waktu kerja yang lebih cepat daripada relai terdahulu. Gambar I-3 memberikan gambaran cara kerja relai.
Gambar II-3. Blok diagram Relai
Pada prinsipnya Relai mempunyai komponen utama yaitu perangkat input, perangkat setting, perangkat pengolah dan perangkat output. Gejala sistem yang dideteksi oleh CT atau PT diterima oleh perangkat input kemudian diteruskan ke perangkat pengolah. Pada elemen pengolah dilakukan pemrosesan yang pada dasarnya adalah membandingkan nilai gejala sistem dengan nilai setting, apabila nilai gejala sistem melebihi nilai setting maka diberikan perintah ke perangkat output untuk bekerja. Perangkat output bekerja dengan membuat perubahan
5
status dari kontak output (misal dari terbuka menjadi tertutup) yang selanjutnya bisa dimanfaatkan untuk mengerjakan pemutus tenaga, alarm, indikator dan sejenisnya.
Gambar II-4. Relai Numerik
1.1.3. Pemutus Tenaga (PMT). Adalah peralatan untuk memutuskan rangkaian sistem tenaga dalam keadaan berbeban maupun mengalami gangguan. Karena arus yang diputus adalah arus gangguan, maka PMT harus mempunyai kemampuan memutus arus yang sangat besar, yaitu sampai dengan 40 kiloamper atau bahkan lebih. Disamping itu PMT juga harus bisa bekerja dengan cepat (sekitar 20 – 60 mili detik) agar pemutusan rangkaian yang terganggu tidak terlambat. Dalam hal terjadi gangguan yang mengakibatkan relai bekerja, maka relai menyambungkan tripping coil dari PMT ke suplai dc sehingga trippng coil bekerja. Bekerjanya tripping coil membuat mekanik PMT bekerja menggerakkan kontak PMT sehingga membuka (trip).
6
Gambar 11-5. PMT Tegangan tinggi
1.1.4. Sumber arus searah (DC source). Berupa baterai yang berfungsi untuk memberi suplai kepada relai dan rangkaian kontrol / proteksi. Batere harus mempunyai tegangan yang cukup untuk menghidupkan relai dan peralatan lainnya seperti tripping coil, relai bantu dan lain lain. Batere juga harus mempunyai kapasitas ampere-hour (Ah) yang cukup sehingga dalam hal tidak ada suplai dari rectifier, batere masih mampu bekerja beberapa saat. 1.1.5. Pengawatan (Wiring). Keseluruhan peralatan proteksi tersebut diatas harus dirangkai sehingga merupakan suatu sistem yang disebut Fault Clearing System (FCS). 1.1.6. Sistem Komunikasi. Dalam beberapa hal, agar sistem proteksi bisa berjalan sesuai dengan yang diperlukan, diperlukan koordinasi antar relai yang dapat dilaksanakan melalui media komunikasi. Media komunikasi yang lazim dipakai dalam sistem proteksi antara lain pilot cable, fiber optic dan power line carrier (PLC).
7
I.2. Persyaratan unjuk unjuk kerja sistem proteksi. Agar bisa memberikan manfaat yang maksimum, sesuai yang telah dibahas didepan, suatu sistem proteksi harus memenuhi beberapa persyaratan sebagai berikut : 1. Sensitif. Sistem harus bisa mendeteksi gangguan terkecil yang ada pada kawasan pengamanannya. Dengan sistem proteksi yang sensitif maka seluruh gangguan yang ada pada kawasan pengamanannya akan dilihat dan direspons. Kawasan pengamanan adalah bagian dari sistem tenaga listrik dimana bila disitu ada gangguan, maka sistem proteksi yang terkait harus bekerja. Gambar 1-6 merupakan contoh kawasan pengamanan. DAERAH PENGAMANAN GENERATOR DAERAH PENGAMANAN GENERATOR -TRAFO
DAERAH PENGAMANAN BUSBAR
DAERAH PENGAMANAN TRANSMISI DAERAH PENGAMANAN TRAFO TENAGA DAERAH PENGAMANAN BUSBAR DAERAH PENGAMANAN BUSBAR TM
DAERAH PENGAMANAN JARINGAN TM
Gambar 11-6. Kawasan Pengamanan
2. Selektif. Suatu sistem proteksi dikatakan selektif apabila bisa memilih S daerah yang terganggu saja yang dipisahkan. Pada prinsipnya sistem proteksi hanya boleh bekerja bila ada gangguan pada kawasan 8
pengamannya. Bila gangguan terletak pada kawasan pengamanan utama maka proteksi harus bekerja cepat. Bila gangguan terjadi diluar kawasan pengamanannya maka sistem proteksi tidak boleh bekerja. 3. Cepat. Untuk mencapai manfaat yang maksimum (yang telah dibahas didepan), sistem proteksi harus bekerja cepat dalam memisahkan gangguan. Apabila pemisahan daerah yang terganggu tidak dilaksanakan dengan cepat maka kerusakan peralatan akan berlanjut. Untuk proteksi cadangan biasanya diberi tunda waktu untuk memberi kesempatan proteksi utama bekerja terlebih dulu, namun tunda waktu ini hanya seperlunya saja dan tidak boleh berlebihan. Kecepatan proteksi memisahkan bagian yang terganggu dikenal sebagai ’Clearing Time’. Clearing time merupakan penjumlahan seluruh waktu kerja peralatan proteksi mulai dari relai, relai bantu dan PMT. Menurut standar PLN (SPLN 52-1) clearing time untuk sistem 150 kV maksimum adalah 120 ms, sedangkan untuk sistem 70 kV maksimum 150 ms. 4. Andal. Sistem proteksi harus setiap saat siap melaksanakan fungsinya dan tidak salah kerja. Keandalan pada prinsipnya mempunyai tiga aspek : a. Dependability, yaitu tingkat kepastian bekerjanya.. Proteksi yang mempunyai dependability tinggi dapat dipastikan selalu bekerja apabila kondisi mengharuskan bekerja. b. Security, yaitu tingkat kepastian untuk tidak salah kerja. Proteksi yang mempunyai security tinggi menjamin untuk tidak salah kerja. c. Availability, yaitu kesiapan beroperasinya. Angka availability menunjukkan perbandingan antara waktu dimana proteksi dalam keadaan siap dengan waktu total terpasangnya. Salah satu contoh dalam mewujudkan keandalan sistem proteksi antara lain dengan membuat sistem ganda, yaitu dua unit proteksi yang dipasang untuk mengamankan satu kawasan. Proteksi ini hanya dipasang pada sistem tenaga yang memerlukan proteksi yang sangat andal, misal sistem 500 kV. Contoh lain adalah penerapan proteksi dengan pola utama-
9
cadangan, dimana apabila proteksi utama gagal bekerja masih ada proteksi cadangan meskipun dengan waktu kerja yang lebih tinggi. 1.3. Gangguan pada sistem tenaga listrik. Gangguan yang dirasakan oleh sistem proteksi bisa berupa sistem fault dan non sistem fault. Sistem fault adalah gangguan yang benar benar terjadi pada sistem tenaga listrik. Non sistem fault adalah gangguan yang dirasakan oleh sistem proteksi tetapi sebenarnya pada sistem tenaga gangguan tersebut tidak ada. Gangguan ini bisa berupa kerusakan atau kelainan sistem proteksi sendiri. 1.3.1. Gangguan hubung singkat. Gangguan pada sistem tenaga listrik yang sering terjadi adalah gangguan hubung singkat. Gangguan hubung singkat bisa disebabkan oleh kerusakan isolasi, tegangan lebih (surja hubung, petir), dan faktor lingkungan. Gangguan hubung singkat berakibat terjadinya arus hubung singkat yang sangat besar dan juga merubah sudut fase arus. Pada prinsipnya setiap gangguan hubung singkat akan membentuk rangkaian tertutup mulai dari titik gangguan sampai dengan pusat pembangkit. Dengan demikian apabila gangguan terjadi pada jaringan distribusi maka arus gangguan akan mengalir melewati jaringan didtribusi, trafo gardu induk, jaringan transmisi dan akhirnya sampai pusat pembangkit. Besarnya arus hubung singkat dan sudut fasenya tergantung pada jenis gangguan, besarnya sistem pembangkitan, impedansi sumber sampai dengan titik gangguan serta impedansi gangguan itu sendiri. Jenis gangguan hubung singkat pada dasarnya adalah sebagai berikut : 1. Gangguan tiga fasa 2. Gangguan fasa – fasa 3. Gangguan satu fasa ke tanah Untuk mengetahui besarnya arus gangguan hubung singkat, diperlukan perhitungan (analisa) hubung singkat yang dilakukan dengan software tertentu misalnya Dig Silent, PSS/E, ETAPS dan lain-lain. Dalam perhitungan arus hubung singkat dikenal impedansi urutan yaitu :
10
Impedansi urutan positif, Z1
Impedansi urutan negatif, Z2
Impedansi urutan nol, Z0
Pengertian tentang impedansi urutan tersebut dibahas dalam analisa sistem tenaga, namun pada setiap peralatan sistem data impedansi tersebut telah tersedia. Gangguan tiga fasa merupakan gangguan seimbang yang menimbulkan arus gangguan (arus hubung singkat) terbesar. Besarnya gangguan hubung singkat ini dapat dinyatakan dalam rumus berikut :
I=
E Z1
(1-1)
Dimana I adalah arus gangguan yang mengalir pada setiap fasa dan E adalah tegangan fasa-fasa. Adapun bila sistem mengalami gangguan fasa-fasa, maka arus gangguan mengalir pada kedua fasa yang terganggu. Besarnya arus tersebut dapat dinyatakan dengan rumus :
I=
E Z1 + Z 2
(1-2)
Pada jaringan transmisi dan transformator besarnya Z1 sama dengan Z2, sehingga arus gangguan fasa-fasa besarnya ½ dari arus gangguan 3 fasa. Dalam hal sistem mengalami gangguan satu fasa ketanah, maka arus gangguan hanya mengalir pada fasa yang terganggu. Besarnya arus gangguan dinyatakan dengan rumus :
I=
E 3 Z1 + Z 2 + Z 0
(1-3)
11
Dimana I adalah arus hubung singkat yang mengalir pada fasa yang terganggu dan E adalah tegangan fasa-fasa. 1.3.2. HalHal-hal yang terkait dengan gangguan tanah. Pada gangguan satu fasa ketanah, pentanahan sistem mempengaruhi besarnya arus gangguan sedang hubungan belitan trafo menentukan apakah arus gangguan tanah bisa lewat atau tidak. Pentanahan sistem (system grounding) adalah sistem menghubungkan titik netral trafo ke tanah. Pada prinsipnya ada 3 macam sistem pentanahan : 1. Pentanahan solid /efektif/ langsung, yaitu netral trafo dihubungkan ketanah secara langsung. Dalam hal ini arus gangguan tanah hanya dibatasioleh impedansi sistem seperti rumus 1-3. 2. Pentanahan dengan impedansi, yaitu titik netral trafo dihubungkan ke tanah dengan impedansi yang bisa berupa resistor maupun reaktor (misal peterson coil). Dalam hal ini arus gangguan tanah dibatasi oleh besarnya impedansi pentanahan, sehingga rumus 1-3 menjadi :
I=
E 3 Z 1 + Z 2 + Z 0 + 3ZT
(1-4)
dimana ZT adalah nilai impedansi pentanahan. 3. Pentanahan mengambang, yaitu titik netral trafo tidak dihubungkan ke tanah. Dalam hal ini bila terjadi gangguan satu fasa ketanah maka arus gangguan tidak bisa mengalir. Hal lain yang perlu diperhatikan dalam kaitannya dengan gangguan tanah adalah hubungan belitan (vektor group) trafo. Arus gangguan tanah bisa mengalir apabila pada trafo ada belitan delta atau pada sisi yang lain diketanahkan juga.
12
BAB II PROTEKSI SISTEM DISTRIBUSI 2.1. Sistem Distribusi Secara garis besar pengusahaan Sistem Tenaga Listrik dibagi menjadi tiga bagian utama, yaitu Sistem Pembangkitan, Sistem Penyaluran (Transmisi & Gardu Induk), dan Sistem Distribusi. Dengan demikian Sistem Distribusi merupakan bagian akhir dari rangkaian komponen pada sistem tenaga listrik (Gambar 2-1).
Gambar 22-1 : Sistem Tenaga Listrik
Sistem Distribusi merupakan rangkaian komponen listrik mulai dari sisi sekunder trafo gardu induk (sisi tegangan Menengah) hingga sisi tegangan rendah di pelanggan/ konsumen (gambar 2-2).
Gardu Induk
Jaringan Tegangan Menengah (JTM)
Sekering T.M. Trafo Distribusi
Rel T.R. Sekering T.R. Jaringan Tegangan Rendah (JTR) Gardu Distribusi Tiang Sambungan Rumah
Pelanggan
Gambar 22-2 : Sistem Distribusi
13
Sesuai dengan gambar 2-2 maka bagian-bagian utama sistem distribusi adalah : 1. Jaringan Tegangan Menengah (JTM 20 KV) 2. Gardu Hubung 3. Gardu Distribusi (Trafo) 4. Jaringan Tegangan Rendah (JTR 220/380 V) Selanjutnya berdasarkan konfigurasinya, jaringan distribusi tegangan menengah dibedakan dalam tiga macam, yaitu: 1. Sistem Radial. Radial.
GI
Gambar 22-3 : Jaringan Distribusi Radial
2. Sistem Loop GI
Gambar 22-4: Jaringan Jaringan Distribusi Loop
14
Saluran cadangan
Gardu hubung
Gardu induk
3. Sistem Spindle.
Gardu distribusi Gambar 22-5 : Jaringan Distribusi Spindle
2.2 2.2. Pengaman sistem distribusi 2.2. 2.2.1. 2.1. Pentanahan Sistem Distribusi Ada empat pola pengaman sistem distribusi yang telah diterapkan di lingkungan PLN. Perbedaan pola-pola tersebut didasarkan atas jenis pentanahan sistem (pentanahan titik netral trafonya). Pada dasarnya ada 4 macam macam pentanahan titik netral trafo yang dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Pentanahan dengan Tahanan Tinggi (High Resistance), mengutamakan keselamatan umum, sehingga meskipun dengan saluran udara masih layak memasuki daerah perkotaan. 2. Pentanahan Langsung (Solid Grounding) yaitu sistem distribusi dengan pentanahan secara langsung, mengutamakan faktor ekonomi, sehingga dengan saluran udara elektrifikasi dapat dilaksanakan di luar kota sampai ke daerah yang terpencil. 3. Pentanahan dengan Tahanan Rendah (Low Resistance), dimaksudkan untuk memperoleh hasil optimum dari kombinasi antara faktor ekonomi dan keselamatan umum, dan jaringan dapat mempergunakan saluran udara bagi daerah luar kota maupun kabel bagi daerah padat dalam kota.
15
4. Pentanahan Mengambang / tidak ditanahkan /Floating, untuk saat ini sudah tidak digunakan di PLN karena ketika terjadi gangguan tanah arus gangguan terlalu kecil sehingga tidak terdeteksi oleh relai proteksi. 2.2. 2.2.2. 2.2. Pola Pengaman Sistem Distribusi Pola I , untuk sistem distribusi dengan pentanahan tahanan tinggi :
Sistem distribusi 20 KV fasa tiga , 3 kawat dengan pentanahan Netral melalui tahanan tinggi 500 ohm.
Karena tahanannya tinggi, maka arus gangguannya rendah.
Diperlukan rele yang sensitif untuk dapat mendeteksi arus gangguan yang kecil.
Pola ini diterapkan di Jawa Timur.
Proteksi terpasang:
PMT dipasang di pangkal penyulang (feeder) dilengkapi dengan : o OCR untuk membebaskan gangguan antar fasa. o Directional Ground Fault Relay (DGFR) untuk membebaskan gangguan fasa-tanah.
PBO dikoordinasikan dengan SSO dan Pengaman Lebur (PL) jenis Fuse Cut Out (FCO).
PMT
PBO
SSO SSO
Y NGR 500 Ohm
PL OCR GFR
PL
Gambar 2-6 : Pengaman Sistem Distribusi Pola I
16
Pola II , untuk sistem sistem distribusi dengan Pentanahan Langsung :
Sistem distribusi 20 KV fasa tiga , 4 kawat dengan pentanahan Netral secara langsung.
Kawat Netral ditanahkan di setiap tiang sepanjang JTM dan JTR, dipergunakan sebagai netral bersama TM & TR (Common Neutral).
Karena tahanannya sangat kecil, maka arus gangguannya besar, sehingga diperlukan rele yang dapat bekerja dengan cepat.
Pola ini diterapkan di Jawa Tengah dan DIY. R
S N
T
Gambar 22-7 : Pentanahan Langsung pada Sistem Distribusi Distribusi
Proteksi terpasang :
PMT dipasang di pangkal penyulang (feeder) dilengkapi dengan : o OCR untuk membebaskan gangguan antar fasa. o GFR untuk membebaskan gangguan fasa-tanah.
PBO dikoordinasikan dengan SSO dan Pengaman Lebur (PL) jenis FCO
PMT
PBO
SSO SSO PL
Y
OCR GFR
PL
Solid Grounding
Gambar 22-8 : Pengaman Sistem Distribusi Pola II
17
Pola III, III, untuk sistem sistem distribusi dengan Pentanahan Tahanan Rendah
Sistem distribusi 20 KV fasa tiga , 3 kawat dengan pentanahan Netral melalui tahanan rendah 40 ohm untuk SUTM atau 12 Ohm untuk SKTM.
Pola ini diterapkan di Jawa Barat, DKI dan Luar Jawa.
Karena tahanannya relatif rendah, maka arus gangguannya relatif tinggi, sehingga diperlukan rele yang dapat bekerja dengan cepat.
Proteksi terpasang:
PMT dipasang di pangkal penyulang (feeder) dilengkapi dengan : o OCR untuk membebaskan gangguan antar fasa. o GFR untuk membebaskan gangguan fasa-tanah.
PBO dikoordinasikan dengan SSO dan Pengaman Lebur (PL) jenis Fuse Cut Out (FCO).
Pada sistem Spindle dengan saluran kabel, pengamannya dengan rele arus lebih tanpa penutup balik (atau di blok) dan atau pelebur.
PMT
PBO
SSO SSO
NGR 40 Ohm
Y
PL OCR GFR
PL
Gambar 22-9 : Pengaman Sistem Distribusi Pola III
Pola IV , untuk sistem distribusi dengan Pentanahan Mengambang
Sistem distribusi 6 KV fasa tiga , 3 kawat dengan pentanahan mengambang atau netral tidak ditanahkan (Floating).
18
Pola ini pernah ada dan terakhir diterapkan di Sulawesi dan Sumatera Selatan/ Jambi. Karena sistem 6 KV telah diganti menjadi 20 KV, maka pola IV ini sudah tidak dikembangkan lagi.
2.3. Fuse / pengaman lebur. Fuse atau Pengaman Lebur (PL) berfungsi sebagai pengaman pada sistem distribusi terhadap arus gangguan yang terjadi pada jaringan distribusi atau trafo distribusi. Letak pemasangan Fuse / Pengaman Lebur : • Percabangan JTM / Branch Line • Sisi primer trafo pada Gardu Distribusi Tiang / Tembok. 2.3.1. Prinsip Kerja Pengaman Lebur Jika arus yang melewati Pengaman Lebur melebihi nilai arus rating nominal dari Pengaman Lebur maka elemen lebur akan panas dan terus meningkat jika telah mencapai titik leburnya maka elemen akan melebur. 2.3.2. Konstruksi Pengaman Lebur Pengaman Lebur yang banyak digunakan pada jaringan distribusi adalah jenis letupan dengan konstruksi type Fuse Cut Out (FCO), seperti gambar 2-10. Fuse tersebut tidak dilengkapi dengan alat peredam busur api, sehingga bila digunakan untuk daya yang besar maka fuse tidak mampu meredam busur api yang timbul pada saat terjadi gangguan akibatnya timbul ledakan. Karena itu fuse ini dikategorikan sebagai pengaman jenis letupan. 2.3.3. Karakteristik Fuse / Pengaman Lebur Ada dua tipe Karakteristik fuse yang banyak digunakan yaitu : •
Fuse Link tipe pemutusan cepat ( K )
•
Fuse Link tipe pemutusan lambat ( T ).
Perbedaan antara kedua tipe ini terletak pada kecepatan pemutusannya. Gambar 2-11.a dan 2-11.b menunjukkan contoh karakteristik fuse.
19
Gambar 22-10 : Konstruksi Fuse Cut Out
20
Gambar 22-11 a : Karakteristik Fuse Link Tipe K.
21
Gambar 22-11 b : Karakteristik Fuse Link Tipe T.
22
2.4. Relai arus lebih / over current relay (OCR (OCR) OCR) Pada sistem tenaga listrik Relai Arus Lebih pada umumnya digunakan sebagai :
Pengaman utama Jaringan Tegangan Menengah (Distribusi).
Pengaman utama untuk trafo tenaga kapasitas kecil.
Pengaman cadangan untuk trafo tenaga kapasitas besar.
Pengaman untuk generator dengan kapasitas kecil ( < 5 MW ).
Pengaman utama untuk motor.
OCR bekerja berdasarkan kenaikan arus yang terdeteksi oleh relai. Jika rele dilewati arus yang melebihi nilai pengamanan tertentu (arus setting/ setelan waktu tertentu), maka rele akan bekerja. 2.4. 2.4.1 4.1. Karakteristik Relai Arus Lebih Karakteristik OCR memberikan hubungan antara arus input dengan waktu kerja relai. Berdasarkan karakteristiknya, relai arus lebih diklasifikasikan sbb : 1. Relai arus lebih seketika. 2. Relai arus lebih dengan tunda waktu. Selanjutnya relai arus lebih dengan tunda waktu dibedakan menjadi : 1. Relai arus lebih tunda waktu definite 2. Relai arus lebih tunda waktu invers Relai Arus Lebih Seketika (disebut juga instant atau moment) mempunyai waktu kerja (mulai kerja sampai selesainya kerja) sangat cepat / waktunya pendek (20– 100 milli detik), sedangkan untuk Relai Arus Lebih dengan tunda waktu (time delayed), jangka waktu relai mulai pick-up sampai selesai kerja diperpanjang dengan nilai waktu tertentu. Relai Arus Lebih Inverse Jangka waktu relai mulai pick-up sampai selesai kerja relai diperpanjang dengan nilai waktu yang tergantung dari besarnya arus inputnya. Semakin besar arus yang lewat rele, maka semakin cepat rele bekerja,dan sebaliknya. Karakteristik OCR Inverse ada 4 macam: 1. Normal Inverse 2. Very Inverse
23
3. Extremelly Inverse 4. Long Time Inverse Relai Arus Lebih Definite Jangka waktu relai mulai pick-up sampai selesai kerja diperpanjang dengan nilai waktu tertentu dan tidak tergantung dari besarnya arus inputnya. Kombinasi invers - definite Jangka waktu kerja relai merupakan kombinasi dari Inverse dan definite. Rele mulai pick-up sampai selesai diperpanjang dengan nilai waktu tertentu dan tergantung dari besarnya arus yang menggerakkannya, dan pada nilai arus tertentu rele harus kerja dengan definite time.
a) t
b)
t
t set
I set Instant
c)
I
I set Definite
t
I
d) t
I Set Inverse
I
I set Kombinasi
I
Gambar 22-12. Karakteristik Relai Arus Lebih : a. instant, b.definite, c.invers, d kombinasi
24
2.4.2. Sambungan relai arus lebih lebih (Gambar 2-13.a dan 2-13.b) : Pada penyulang TM, relai arus lebih untuk pengaman gangguan antar fasa pada umumnya dipasang pada fasa R dan T (gambar 2-13), namun bisa juga dipasang pada ketiga fasa (R,S dan T). Untuk pengaman gangguan fase-tanah dipasang satu relai setiap penyulang yaitu pada titik bintang CT dan biasa disebut sebagai Ground Fault Relay (GFR).
Gambar 22-13.Pemasangan OCR dan GFR
2.4.3. Relai Arus Lebih Berarah (Directional Over Current Relay) Adalah relai arus lebih yang bekerja hanya bila terjadi gangguan pada lokasi / arah didepannya. Relai ini mempunyai dua elemen :
Elemen arah (directional element , directional unit), berfungsi untuk menentukan arah kerja relai .
Elemen kerja ( operation element over current unit ) berfungsi untuk mendeteksi besaran arus gangguan .
Dalam menentukan arah relai ini bekerjanya menggunakan dua besaran listrik ,yaitu tegangan sebagai referensi dan arus sebagai besaran kerja (sudut fasanya tergantung pada lokasi gangguan ). Relai arus lebih berarah digunakan untuk pengaman gangguan tanah pada sistem distribusi dengan pentanahan tahanan tinggi (pola I).
25
2.5. PBO dan SSO 2.5.1. 2.5.1. Penutup balik otomatis (PBO) PBO (Recloser) adalah PMT yang dilengkapi dengan peralatan kontrol dan relai penutup balik. Relai penutup balik adalah relai yang dapat mendeteksi arus gangguan dan memerintahkan PMT membuka (trip) dan menutup kembali. PBO dipasang pada SUTM yang sering mengalami gangguan hubung singkat fasa ke tanah yang bersifat temporer. Fungsi PBO adalah :
Menormalkan kembali SUTM yang trip akibat gangguan temporer.
Pengaman seksi pada SUTM agar dapat melokalisir daerah yang terganggu.
JenisJenis-jenis Reclosing relay. Berdasarkan tipe perintahnya, reclosing relay dibedakan dalam dua jenis, yaitu : 1. SingleSingle-shot Reclosing Relay
Relai hanya dapat memberikan perintah reclosing ke PMT satu kali dan baru dapat melakukan reclosing setelah blocking time terakhir.
Bila terjadi gangguan pada periode blocking time, PMT trip dan tidak bisa reclose lagi (lock – out ).
Waktu Relai Close
Bloking Time
Trip
Look Out
Dead Time
Gambar 22-15 : Single shot reclosing relay
2. Multi Shot Reclosing Relay. Relay
Relai ini dapat memberikan perintah reclosing ke PMT lebih dari satu kali. Dead time antar reclosing dapat diatur sama atau berbeda..
26
Bila terjadi gangguan , relai OCR/GFR memberikan perintah trip ke PMT. Pada saat yang sama juga mengerjakan (mengenergizing) Reclosing relay.
Setelah dead time t 1 yang sangat pendek ( kurang dari 0,6 detik), relai memberi perintah reclose ke PMT .
Jika gangguan masih ada , PMT akan trip kembali dan reclosing relai akan melakukan reclose yang kedua setelah dead time t 2 yang cukup lama (antara 15- 60 detik).
Jika gangguan masih ada, maka PMT akan trip kembali dan reclosing relai akan melakukan reclose yang ke tiga setelah dead time t 3 .
Bila gangguannya juga masih ada dalam periode blocking tR, maka PMT akan trip dan lock out.
Penggunaan multi shot reclosing harus doisesuaikan dengan siklus kerja (duty cycle) dari PMT.
Close t1
t2
t3 Lock Out
Open tR
tR
tR
Gambar 22-16 : Diagram waktu kerja Multi Shot Reclosing Relai
Keterangan gambar : t1
= dead time dari reclosing pertama
t2
= dead time dari reclosing kedua
t3
= dead time dari reclosing ketiga
tR 1 = blocking time dari reclosing pertama tR 2 = blocking time dari reclosing kedua tR 3 = blocking time dari reclosing ketiga SifatSifat-sifat PBO PBO mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :
27
Operasi cepat (fast tripping): untuk antisipasi gangguan temporer.
Operasi lambat (delayed tripping) : untuk koordinasi dengan pengaman di hilir.
Bila gangguan telah hilang pada operasi cepat maka PBO akan reset kembali ke status awal. Bila muncul gangguan setelah waktu reset, PBO mulai menghitung dari awal.
Repetitive : reset otomatis setelah recloser success.
Non repetitive : memerlukan reset manual (bila terjadi gangguan permanen dan bila gangguan sudah dibebaskan).
PBO atau Recloser adalah relai arus lebih sehingga karakteristik PBO dan OCR adalah sama (lihat karakteristik OCR).
2.5.2. Saklar seksi otomatis (SSO) Pengertian dan Fungsi SSO
SSO atau Auto Seksionalizer adalah saklar yang dilengkapi dengan kontrol elektronik/ mekanik yang digunakan sebagai pengaman seksi Jaringan Tegangan Menengah.
SSO sebagai alat pemutus rangkaian/beban untuk memisah-misahkan saluran utama dalam beberapa seksi, agar pada keadaan gangguan permanen, luas daerah (jaringan) yang harus dibebaskan di sekitar lokasi gangguan sekecil mungkin.
Bila tidak ada PBO atau relai recloser di sisi sumber maka SSO tidak berfungsi otomatis (sebagai saklar biasa).
Klasifikasi SSO
Penginderaan : berdasarkan tegangan (AVS) atau berdasarkan Arus (Sectionalizer).
Media Pemutus : Minyak, Vacum, Gas SF6.
Kontrol : Hidraulik atau Elektronik
Phase : Fasa tunggal atau Fasa tiga
28
Prinsip Kerja SSO
SSO bekerjanya dokoordinasikan dengan pengaman di sisi sumber (relai recloser atau PBO) untuk mengisolir secara otomatis seksi SUTM yang terganggu.
SSO pada pola ini membuka pada saat rangkaian tidak ada tegangan tetapi dalam keadaan bertegangan harus mampu menutup rangkaian dalam keadaan hubung singkat.
SSO ini dapat juga dipakai untuk membuka dan menutup rangkaian berbeban. Saklar ini bekerja atas dasar penginderaan tegangan.
SSO dilengkapi dengan alat pengatur dan trafo tegangan sebagai sumber tenaga penggerak dan pengindera.
Prinsip kerja SSO dengan sensor tegangan dijelaskan pada AVS di bawah.
Prinsip Kerja AVS Gambar 2-17 di bawah sebagai ilustrasi Sistem Distribusi yang terbagi dalam 3 seksi dengan pengaman penyulang sebuah PMT dan dua buah AVS.
Gambar 2-17: Sistem Pengaman JTM dengan PMT dan AVS
29
Prinsip operasi AVS :
Dalam hal terjadi gangguan pada seksi III maka PMT penyulang trip, tegangan hilang. Setelah t3, semua AVS trip.
PMT masuk kembali (reclose pertama), seksi I bertegangan.
Setelah t1 menerima tegangan, AVS1 masuk, seksi II bertegangan.
Setelah t2 menerima tegangan, AVS2 masuk, seksi III bertegangan.
Apabila gangguan masih ada maka PMT trip kembali, AVS1 dan AVS2 lepas setelah t3.
PMT reclose yang kedua. AVS1 masuk setelah t1 sedangkan AVS2 sudah lock-out (karena pada saat masuk pertama AVS2 hanya merasakan tegangan sebentar atau lebih kecil dari t2, sehingga menyimpulkan gangguan ada pada seksi berikutnya atau seksi III).
2.6. Relai frekuensi kurang / under frequency relay (UFR) Relai Frekuensi Kurang (UFR) bekerja dengan indikator frekuensi terukur melalui trafo tegangan yang di pasang pada tegangan fasa-fasa. UFR pada penyulang TM digunakan untuk program pengurangan beban terencana (load shedding) dengan mengetripkan penyulang tertentu.
30
BAB III PROTEKSI TRANSFORMATOR DAN BUSBAR 3.1. Proteksi transformator Transformator (trafo) merupakan peralatan utama gardu induk. Komponen trafo terdiri atas kumparan, inti besi dan minyak isolasi, oleh karena itu maka pada trafo terdapat parameter elektrik maupun non elektrik khususnya temperatur dan hal ini yang membuat proteksi trafo terdiri atas proteksi elektrik maupun non elektrik. Dibawah ini tabel proteksi trafo sesuai dengan SPLN 52-1. Tabel 11-1. Jenis Proteksi Trafo
No
Jenis Proteksi
Kapasitas (MVA) ≤ 10
10<÷<30
≥ 30
1
Rele Suhu
+
+
+
2
Rele Bucholz
+
+
+
3
Rele Jansen
+
+
+
4
Rele Tekanan Lebih
+
+
+
5
Rele Differensial
-
-
+
6
Rele Tangki Tanah
-
+
-
7
Rele Hubung Tanah Terbatas (REF)
-
-
+
8
Rele Beban Lebih ( OLR )
-
+
+
9
Rele Arus Lebih ( OCR )
+
+
+
10
Rele Hubung Tanah ( GFR )
+
+
+
11
Pelebur ( Fuse )
+
-
-
Perlu diperhatikan bahwa jenis proteksi terpasang pada trafo tidak sama untuk ukuran kapasitas yang berbeda, karena disesuaikan dengan tingkat kepentingannya. 3.1.1. Proteksi elektrik. Trafo mempunyai proteksi elektrik utama (main) maupun cadangan (back-up). Dibawah ini digambarkan proteksi elektrik terpasang pada trafo daya ukuran 30 MVA atau lebih (gambar 3-1).
31
150 kV
20 kV CT 2
5
4
CTN 1
2
CTN 2
1
R CTN 2
6
3
Gambar 33-1. Proteksi elektrik trafo Pengaman utama trafo pada prinsispnya adalah relai diferential yang bekerja bila terjadi gangguan fasa-fasa maupun fasa-tanah. Diferential yang terpasang pada trafo terdiri dari dua macam : 1. Terpasang antara sisi primer dan sekunder [3] 2. Terpasang antara netral dengan fasa, baik sisi primer [4] maupun sisi sekunder [2], disebut restricted earth fault / REF. Dalam hal terjadi gangguan pada kawasan pengamanannya (antara dua CT), maka pengaman utama mentripkan PMT trafo disisi primer maupun sekunder. Pengaman cadangan trafo adalah OCR untuk gangguan fasa-fasa dan GFR untuk gangguan fasa-tanah disisi primer [5] yang mentripkan PMT sisi primer saja. Adapun OCR/GFR sisi sekunder [1] merupakan pengaman cadangan jauh (remote back-up) bagi penyulang keluar. Proteksi no [6] adalah stand by earth fault, bekerja bila terjadi gangguan hubung singkat diluar trafo khususnya untuk mengamankan peralatan pentanahan (NGR).
32
Selanjutnya dalam tabel 3-2 disampaikan beberapa kemungkinan gangguan yang bisa terjadi pada trafo beserta pengaman apa yang bekerja dan bagaimana akibatnya bila gangguan tidak segera diisolasi. Tabel 33-2. Gangguan dan proteksi trafo. No
1
Jenis Gangguan
Hubung singkat di dalam daerah pengamanan trafo
Proteksi
Akibat
Utama
Back up
Diffrensial
OCR
REF
GFR
Bucholz
Kerusakan pada isolasi, kumparan atau inti Tangki meng-
Tangki Tanah
gembung
Tek. lebih 2
Hubung singkat diluar daerah pengamanan trafo
4
Gangguan sistem
OCR
OCR
GFR
GFR
SBEF
Kerusakan pada isolasi atau kumparan atau NGR
Rele suhu
-
Kerusakan isolasi
Gangguan pada
Jansen
-
Kerusakan OLTC
OLTC
Tek lebih
Tegangan lebih
OVR
-
Kerusakan isolasi
pen-dingin 5
6
3.1.2. Relai Differensial ( 87 ) Relai diferensial bekerja berdasarkan hukum Kirchoff yaitu jumlah arus yang melalui satu titik sama dengan nol. Pada relai diferensial yang dimaksud suatu titik adalah daerah yang diamankan (protected zones) yang dibatasi trafo arus yang tersambung ke relai diferensial. Pada keadaan tanpa gangguan atau
33
gangguan di luar daerah yang diamankan, jumlah arus yang melalui daerah yang diamankan sama dengan nol. Pada keadaan gangguan di dalam daerah yang diamankan, jumlah arus yang melalui daerah yang diamankan tidak sama dengan nol. Gambar 3-2 menunjukkan kondisi normal (tidak ada gangguan) atau ada gangguan diluar kawasan pengamanannya. Dalam hal ini i1 = i2 dan berlawanan arah, sehingga arus yang masuk relai nol, relai tidak bekerja. Apabila terjadi gangguan dalam kawasan pengamanannya maka i2 berubah arah sehingga arus yang masuk ke relai = i1+i2, tidak sama dengan nol sehingga relai bekerja. KAWASAN PENGAMANAN
CT1
CT2
I1
I2
i2
i1
R
Gambar 33-2. Prinsip pengaman diferensial Dalam praktek, relai diferensial tersebut mengalami beberapa permasalahan sebagai berikut : 1. Adanya perbedaan karakteristik CT sisi primer dengan sekunder. Hal ini mengakibatkan output CT tidak selalu sama. 2. Adanya perubahan ratio trafo dikarenakan perubahan posisi on load tap changer (OLTC) 3. Adanya magnetizing inrush current, yaitu arus yang mengalir pada sisi primer saja yang terjadi pada saat trafo diberi tegangan.
34
Permasalahan no.1 dan no.2 diatasi dengan penggunaan relai diferensial bias, yaitu relai dengan kumparan penahan (restrain) sehingga tidak selalu bekerja meskipun ada perbedaan antara i1 dan i2. Karakteristik relai diferensial bias disampaikan pada gambar 3-3. Karakteristik tersebut menjelaskan hubungan antara arus penahan (restrain) dengan arus operasi. Relai akan bekerja apabila terletak pada daerah TRIP, sedangkan apabila pada posisi BLOK maka relai tidak bekerja. Arus operasi IO = i1-i2 sedangkan arus restrain IR = (i1+i2)/2. Relai disetting dengan Iomin yaitu arus minimum relai kerja dan slope V%. Padaumumnya IO min diset 0,3 arus nominal relai sedangkan V% di set 30 %. I0 SLOPE V%
I 02
∆I 0
TRIP
I 01
V % =
∆I R
∆I0 ∆IR
BLOK
I 0 min g%
IR
Gambar 33-3. Karakteristik diferensial bias. 3.1.3 3.1.3. 1.3. Wiring Diferensial. Pada diferensial trafo daya ada dua variabel yang dibandingkan antara primer dan sekunder yaitu besar arus dan arah atau sudut fasenya. Dalam keadaan normal atau keadaan gangguan luar maka variabel sisi primer harus sama dengan sisi sekunder. Untuk merealisasikan hal ini maka diperlukan penyesuaian sudut fase denganwiring dan penyesuaian besarnya arus dengan ACT. Syarat wiring dapat dilihat dalam tabel 3-3 berikut.
35
Tabel 33-3. Syarat wiring diferensial trafo
Sambungan ACT
Sambungan
Sambungan
Sisi Trafo
CT
Primer
Sekunder
Y
Y
Y
D
D
Y
Y
Y
Y
D
D
Y
Contoh penerapan wiring secara lengkap untuk trafo dengan hubungan belitan Yy0 disampaikan dalam gambar 3-4. Dengan perkembangan teknologi elektronika, relai diferensial sudah mampu mengakomodir segala kondisi CT sehingga sangat mudah penerapannya.
CT1
IR
P1
TRAFO DAYA YY0
IS
CT2
It Y0
Y0
YD1 ACT1
P1
YD1 ACT2 RELAI DIFERENSIAL
S1
S1
i ' R − i 'T
P1
Is
IT P1
Ir
i r' − i t'
Gambar 33-4. wiring diferensial trafo Yy0
36
3.1.4. Relai diferensial impedansi tinggi. Pada relai diferensial dengan impedansi tinggi, besaran yang dilihat oleh relai adalah tegangan yang timbul pada sekunder CT pada saat terjadi gangguan internal, oleh karena itu setting relai ini adalah tegangan saja. Persyaratan pemakaian relai ini adalah CT yang tersambung harus sama. Relai diferensial impedansi tinggi biasa digunakan pada : 1. Proteksi generator 2. Proteksi REF pada trafo 3. Proteksi busbar. 3.2. Proteksi busbar Gangguan pada busbar relatif jarang (sekitar 7 % ) dibandingkan dengan gangguan pada penghantar (sekitar 60 %) dari keseluruhan gangguan, tetapi dampaknya akan jauh lebih besar dibandingkan pada gangguan penghantar, terutama jika pasokan yang terhubung ke pembangkit tersebut cukup besar. Dampak yang dapat ditimbulkan oleh gangguan di bus jika gangguan tidak segera diputuskan antara lain adalah : 1. Kerusakan instalasi 2. Timbulnya masalah stabilitas transient, 3. Dimungkinkan OCR dan GFR di sistem bekerja sehingga pemutusan menyebar. Proteksi busbar pada prinsipnya adalah menjumlah seluruh arus yang keluar dan masuk busbar, yang dalam keadaan normal harus sama dengan nol. Desain proteksi busbar harus benar-benar selektif dan tidak mengijinkan terjadi malakerja karena PMT yang ditripkan oleh proteksi busbar cukup banyak. 3.2.1. Proteksi busbar tunggal. Gambar 3-5 menunjukkan proteksi untuk single busbar yang dibagi menjadi dua (zone). Kelompok CT ke-1 yaitu a,b dan c merupakan daerah proteksi relai diferensial untuk zone 1 dan kelompok CT ke-2 yaitu d,e dan f untuk zone 2.
37
Sektor 1
Sektor 2 d
R1
a
b
g
h
c
R3
e
f
j
k
R2
Check system +
Gambar 33-5. Proteksi busbar tunggal Sedangkan kelompok CT ke-3 yaitu g,h,j dan k berfungsi sebagai check zone yang berfungsi memastikan bahwa gangguan merupakan gangguan internal dan untuk mencegah mal operasi jika ada kelainan pada proteksi busbar masingmasing zone (misalnya ada wiring yang terbuka atau terhubung singkat). Jika terjadi gangguan pada zone 1, maka jumlah arus dari CT a, b dan c tidak sama dengan nol, akibatnya ada arus yang melalui relai R1. Hal ini juga dirasakan oleh relai R3 yang akan menutup kontaknya untuk memberi tegangan positip, dan dengan menutupnya kontak dari relai R1 maka sinyal trip akan dikirim ke PMT yang dilingkupi CT a,b dan c. Dengan demikian zone 1 dapat diisolir dari sistem. Jika ada rangkaian arus yang terbuka pada zone proteksi, maka pada saat beban yang cukup besar atau pada saat ada gangguan eksternal, akan menyebabkan proteksi busbar pada zone tersebut tidak stabil atau relai dari busbar tersebut akan menutup kontaknya. Tetapi dengan adanya chek zone, relai tersebut tidak mendapat tegangan positip sehingga mal operasi dapat dicegah. 3.2.1. Proteksi busbar ganda. ganda. Proteksi busbar ganda disampaikan dalam gambar 3-6. Tampak pada gambar bahwa sistem tersebut mengakomodasi manuver rel melalui Disconector Switch
38
(DS) atau Pemisah (PMS). Dengan bantuan kontak bantu pada posisi masingmasing DS maka secara otomatis zone dari relai busbar akan mengikuti posisi dari DS.
1
3
2
1
2
4
3
5
4
7
6
5
6
8
7
8
1 2 R1
R2
Gambar 3-6 Proteksi busbar ganda
39
BAB IV PROTEKSI PENGHANTAR Penghantar merupakan komponen sistem penyaluran yang mempunyai kriteria spesifik sehingga memerlukan penerapan sistem proteksi yang spesifik pula. Kriteria spesifik tersebut adalah : 1. Penghantar terletak diantara dua gardu induk yang berbeda lokasi. 2. Penghantar terletak di alam terbuka sehingga memungkinkan terjadinya gangguan dari pengaruh alam. 3. Pada umumnya di kedua ujung penghantar terhubung dengan sistem sehingga membebaskan penghantar harus dilakukan dengan membuka PMT dikedua ujungnya. Pada umumnya proteksi utama penghantar adalah relai jarak meskipun ada beberapa relai lain yang bisa diterapkan misalnya diferensial. Tabel 4-1 menunjukkan standar proteksi penghantar di PLN sesuai SPLN No. 51-1 tahun 1984 bagian A. Tabel 44-1. Pola Proteksi Penghantar
Sistem 70 kV Pengaman Utama
Cadangan
Gangguan
Relai
Fasa-fasa
Relai Jarak
Fasa-tanah
Relai tanah selektif Relai tanah terarah Relai arus lebih waktu terbalik (tak terarah)
Fasa-fasa Fasa-tanah
Relai arus lebih waktu terarah, waktu tertentu atau waktu terbalik.
Sistem 150 kV Pengaman Utama Cadangan
Gangguan
Relai
Fasa-fasa
Relai Jarak yang dilengkapi sistem teleproteksi
Fasa-tanah
Relai Jarak yang dilengkapi sistem teleproteksi
Fasa-fasa
Relai arus lebih waktu terbalik (tak terarah)
Fasa-tanah
Relai arus lebih waktu terbalik (tak terarah)
40
4.1. Rele jarak (distance relay) (21) Rele Jarak (Distance Relay) merupakan rele pengaman utama (Main Protection) SUTT/SUTET yang fungsinya untuk mendeteksi gangguan phasa-phasa dan phasa-tanah. Disamping sebagai pengaman utama, rele jarak juga berfungsi sekaligus sebagai pengaman cadangan (Back Up) untuk seksi berikutnya. 4.1.1. Pemasangan Relai Jarak. Rele Jarak mendapatkan input tegangan sekunder dari Trafo Tegangan dan arus sekunder dari Trafo Arus. Gambar 4-1 menunjukkan contoh pemasangan rele jarak di SUTT ( 150 kV), sedangkan untuk sistem 500 kV disampaikan dalam gambar 4-2.
BUS
PMT
CT DIST PT
Penghantar/Lin e
Gambar 44-1. Rangkaian Relai distans pada sistem 150 kV
Pada sistem 500 kV dengan konfigurasi busbar 11/2 CB terpasang dua unit proteksi distans yang sama ( a dan b) yang dihubungkan pada CT yang berbeda. Tujuan pemasangan dua unit ini adalah untuk keperluan keandalan.
41
LP-a-DEF
LP-a-DEF
LP-b-DEF
LP-b-DEF
CT
CT
BUS-A
BUS-B PT
PT
Gambar 44-2. Rangkaian Relai distans pada sistem 500 kV
Prinsip kerja relai distans adalah membandingkan impedansi gangguan yang diukur dengan impedansi setting. Impedansi gangguan diperoleh dengan membandingkan
tegangan
terukur
dengan
arus
terukur.
Selanjutnya
beroperasinya relai jarak dapat dijelaskan sebagai berikut : − Apabila nilai impedansi gangguan lebih kecil dari pada impedansi setting, artinya gangguan ada dalam daerah setting, maka rele akan bekerja. − Apabila nilai impedansi gangguan lebih besar dari pada impedansi setting maka rele tidak akan bekerja. Setting relai distans adalah nilai impedansi dan bisa dibuat dalam tiga nilai yaitu :
Z1 = Setting Zone 1, relai kerja apabila impedansi gangguan < nilai Z1
Z2 = Setting Zone 2, relai kerja apabila impedansi gangguan < nilai Z2
Z3 = Setting Zone 3, relai kerja apabila impedansi gangguan < nilai Z3
Nilai impedansi setting Z1 < Z2 < Z3, begitu pula nilai setting waktu tundanya. Hal ini diperlukan untuk pengaturan koordinasi. 4.1.2. Karakteristik Rele Jarak Karakteristik relai jarak merupakan penerapan langsung dari prinsip dasar relai jarak, karakteristik ini biasa digambarkan didalam diagram R-X. Ada bermacammacam karakteristik relai jarak, antara lain :
42
1. Karakteristik Impedance 2. Karakteristik Mho 3. Karakteristik Offset Mho 4. Karakteristik Reactance 5. Karakteristik Reactance dengan starting Mho 6. Karakteristik Quadrilateral Karakteristik impedance. X ZL
Z1 Z2 Z3
R
Directional
Gambar 44-3. Karakteristik Impedance.
Ciri-ciri karakteristik Impedance :
Merupakan lingkaran dengan titik pusatnya ditengah-tengah, sehingga mempunyai sifat non directional. Untuk diaplikasikan sebagai pengaman SUTT perlu ditambahkan relai directional.
Mempunyai keterbatasan mengantisipasi gangguan tanah high resistance.
Karakteristik impedance sensitif oleh perubahan beban, terutama untuk SUTT yang panjang sehingga jangkauan lingkaran impedansi dekat dengan daerah beban.
43
Karakteristik Mho. Mho.
X
ZL
Z1 Z2 Z3 R
Gambar 44-4. Karakteristik Mho.
Ciri-ciri karakteristik Mho :
Titik pusatnya bergeser sehingga mempunyai sifat directional.
Mempunyai keterbatasan untuk mengantisipasi gangguan tanah high resistance.
Untuk SUTT yang panjang dipilih Zone-3 dengan karakteristik Mho lensa geser. X
ZL
Z3 Z1
Z2 R
Gambar 44-5 Karakteristik Mho Z1,Z2 parsial CrossCross-polarise Mho, Z3 Lensa geser
44
Karakteristik Reaktance. Reaktance.
X
Z
Z3
Z2 Z1 R
Gambar 44-6. Karakteristik Reaktance dengan Starting Mho
Ciri-ciri karakteristik Reactance:
Karateristik reaktance
mempunyai sifat non directional. Untuk aplikasi di
SUTT perlu ditambah relai directional.
Dengan seting jangkauan resistif cukup besar maka relai reactance dapat mengantisipasi gangguan tanah dengan tahanan tinggi.
Karakteristik Quadrilateral Quadrilateral Ciri-ciri Karakteristik Quadrilateral :
Karateristik quadrilateral merupakan kombinasi dari 3 macam komponen yaitu reactance, berarah dan resistif.
Dengan seting jangkauan resistif cukup besar
maka karakteristik relai
quadrilateral dapat mengantisipasi gangguan tanah dengan tahanan tinggi.
Umumnya kecepatan relai lebih lambat dari jenis mho.
45
X
Z
Z3 Z2 Z1 R
Gambar 44-7. Karakteristik Quadrilateral
4.1.3. Penyetelan Daerah Kerja Rele Jarak Seperti telah disampaiakn pada bab 4.1.1. setting relai jarak terdiri dari tiga daerah pengamanan yaitu Zone-1, Zone-2, Zone-3 yang masing-masing mempunyai setelan impedansi Z1, Z2 Z3 dan mempunyai setelan waktu t1,t2,t3. Setting (setelan) Zone-1 adalah 80% dari impedansi saluran atau :
Zone-1 = 0,8 x ZL1
Waktu t1 = 0 dt atau instant.
Setting Zone-2 :
Zone-2 min = 1,2 x ZL1 dan
Zone-2 mak = 0,8 (ZL1 + 0,8ZL2)
Waktu t2 = 0,4 dt.
Setting Zone-3 :
Zone-3 min = 1,2 (ZL1 + 0,8ZL2)
Zone-3 mak = 0,8 (ZL1 + 1,2ZL2)
Waktu t3 = 1,4 dt.
Gambar 4-8 menunjukkan jangkauan setting relai jarak yang terpasang di Gardu Induk A untuk memproteksi saluran dari GI A ke arah GI B dan GI C.
46
Zone-3 (A) Zone-2 (A) Zone-1 (A)
L1
A
B
L2
C
Gambar 4-8. Setting jangkauan dan waktu relai jarak.
4.2. Tele proteksi
Agar gangguan sepanjang SUTT dapat ditripkan dengan seketika pada kedua sisi ujung saluran, maka relai jarak perlu dilengkapi fasilitas teleproteksi. Tele proteksi pada dasarnya berfungsi sebagai sarana koordinasi antar dua relai jarak yang terpasang pada gardu-gardu induk diujung saluran. Dari sisi penerapan model teleproteksi, proteksi penghantar dibagi dalam empat pola yaitu : 1. Pola dasar (Basic) 2. Pola Permissive Under reach Transfer Trip (PUTT) 3. Pola Permissive Over reach Transfer Trip (POTT) 4. Pola Blocking
Pola Dasar Ciri-ciri Pola dasar :
Tidak ada fasilitas sinyal PLC
Untuk lokasi gangguan s.d 80% panjang SUTT relai bekerja pada zone-1.
Untuk lokasi gangguan di atas 80% s.d 100 % panjang SUTT rele bekerja pada zone-2.
47
Pola Permissive Under reach Transfer Trip (PUTT). Prinsip Kerja dari pola PUTT :
Pengiriman sinyal trip (carrier send) oleh rele jarak yang merasakan zone-1.
Untuk lokasi gangguan s.d 100 % panjang SUTT akan diclearkan oleh rele dengan waktu Instant (sama dengan waktu Zone-1)
GI yang merasakan Zone-1 akan mengirim signal tripping ke GI di depannya (yang merasakan Zone-2) agar GI di depannya tersebut trip dengan waktu sama dengan Zone-1.(GI di depannya trip seketika bila merasa Zone-2 dan terima signal teleproteksi/carrier receive).
Bila terjadi kegagalan sinyal PLC maka rele jarak kembali ke pola dasar .
Pola Permissive Over reach Transfer Trip (POTT). (POTT). Prinsip Kerja dari pola POTT :
Pengiriman sinyal trip (carrier send) oleh rele jarak merasakan zone-2.
GI yang merasakan Zone-2 akan mengirim signal tripping ke GI di depannya (yang merasakan Zone-2) agar GI di depannya tersebut trip dengan waktu sama dengan Zone-1.(GI di depannya trip seketika bila merasa Zone-2 dan terima signal teleprteksi/cerrier receive).
Bila terjadi kegagalan sinyal PLC maka rele jarak kembali ke pola dasar (Basic Scheme).
Pola Blocking Prinsip Kerja dari pola Blocking :
Pengiriman sinyal block (carrier send) oleh rele jarak merasakan zone-3 reverse (gangguan ada di belakang).
GI yang merasakan Zone-2 (setting t2 mendekati instant) akan trip seketika bila tidak disertai terima signal bloking dari GI di depannya.
Bila terjadi kegagalan sinyal PLC maka rele jarak akan mengalami mala kerja.
48
4.3. Pengaman Saluran Kabel Tegangan Tinggi (SKTT). Pemakaian kabel tanah dapat dinyatakan sebagai standar yang berlaku umum di dalam kota. Untuk saluran yang pendek sebaiknya digunakan relai differential pilot, dengan menggunakan kabel pilot sebagai media sinyal. Relai diferensial pilot saat ini paling banyak dipakai dan dianggap tepat sebagai pengaman utama, baik bagi sistem dengan tahanan rendah maupun bagi sistem dengan tahanan pentanahan tinggi. Rangkaian pemasangan relai diferensial pilot kabel dijelaskan pada gambar 4-9 dibawah ini. PRINSIP RELAI DIFERENSIAL PILOT KABEL TIPE ASEA
CT A
CT B
Ra
M
Rp
M
R
Ra
R
C
C
Gambar 44 -9 .
Di samping pengaman utama perlu pula ditetapkan pengaman cadangan dan dalam hal ini merupakan pengaman cadangan lokal. Pengaman cadangan lokal ini harus dipilih pengaman yang mempunyai keadalan yang tinggi demi untuk penyelamatan kabel tanah sewaktu terjadi gangguan. Untuk pengaman cadangan ini harus dibedakan 2 macam pengaman yaitu : 1) pengaman gangguan antar fasa atau tiga fasa
49
2) pengaman gangguan satu fasa ke tanah. Untuk gangguan antar fasa dan tiga fasa, yang arus gangguannya besar sebaiknya dipakai relai arus lebih waktu terbalik, sedang untuk gangguan satufasa ke tanah, yang arus gangguannya kecil, sebaliknya dipakai relai arus lebih waktu terbalik, atau relai daya urutan nol, yang lebih peka dari relai arus lebih waktu terbalik. Dengan demikian untuk gangguan satu fasa ke tanah, relai arus lebih waktu terbalik dipakai pada sistem dengan tahanan rendah, sedang relai daya nol dipakai pada sistem dengan tahanan tinggi. Oleh karena sistem pentanahan netral di 150 kV ini hanya menggunakan pentanahan efektif maka pola pengaman untuk SKTT 150 kV-nya hanya mengguanakan satu pola, yaitu relai diferensial longitudinal sebagai pengaman utama untuk gangguan fasa-fasa dan fasa tanah. Sedangkan sebagai pengaman cadangan lokalnya menggunakan relai aruslebih waktu terbalik. Secara umum, Pola Pengaman Saluran Kabel Tegangan Tinggi, sesuai SPLN No. 52-1 tahun 1984 bagian A disampaikan dalam tabel 4-2 dibawah ini. Tabel 44-2. Pola Pengaman SKTT
Pengaman Utama Cadangan
Gangguan
Relai
Fasa-fasa
Relai Diferensial
Fasa-tanah
Relai Diferensial
Fasa-fasa
Relai arus lebih waktu terbalik (tak terarah)
Fasa-tanah
Relai arus lebih waktu terbalik (tak terarah) atau Relai daya urutan nol *)
*) Relay daya urutan nol dipakai khusus untuk proteksi cadangan fasa-tanah SKTT 70 kV dengan pentanahan tahanan tinggi.
Untuk kasus khusus dimana saluran transmisi merupakan saluran campuran antara udara dengan kabel tanah, maka digunakan pola pengaman sebagai berikut : 1). Pada saluran campuran dimana saluran kabel tanah lebih dominan dari saluran udara maka dipakai pola pengaman seperti tabel 4-3 berikut.
50
Tabel 44-3. Pola Pengaman Saluran Campuran dengan Saluran Kabel Dominan
Pengaman Utama Cadangan
Gangguan
Relai
Fasa-fasa
Relai Diferensial
Fasa-tanah
Relai Diferensial
Fasa-fasa
Relai arus lebih waktu terbalik
Fasa-tanah
Relai arus lebih waktu terbalik
2). Pada saluran yang bercampur sehingga sulit ditetapkan saluran mana (udara
atau
kabel
tanah)
yang
dominan,
ditetapkan
berdasarkan
perhitungan-perhitungan sesuai dengan keadaan sirkit tersebut, sehingga dapat diketahui saluran yang dominan. 4.4. Relai penunjang sistem Proteksi Penghantar 4.4.1. Recloser (79) Penutup balik (Recloser) adalah suatu alat yang fungsinya untuk memperbaiki keandalan sistem dengan cara memasukan kembali PMT secara automatis apabila terjadi gangguan yang bersifat temporer pada SUTT/SUTET. Gangguan yang bersifat temporer sering terjadi pada gangguan hubung tanah. Prinsip kerja recloser dapat dijelaskan sebagai berikut (gambar 4-10) : 1. Kondisi normal Switch S
menutup. Bila terjadi gangguan fasa tanah
maka rele akan bekerja dan memberikan perintah trip ke PMT. Pada saat itu juga recloser mulai bekerja (saat mendapat tegangan positip dari rele), elemen yang start adalah elemen dead time (DT) dan block time (BT). 2. Setelah beberapa waktu (sesuai setting) elemen DT menutup kontaknya dan memberi perintah PMT untuk masuk (reclose), bersamaan itu juga mengenergise elemen BT.
51
3. Elemen BT ini segera membuka rangkaian closing coil PMT sehingga PMT tidak akan bisa reclose lagi. 4. Setelah waktu elemen BT terlampaui sesuai settingnya maka elemen BT akan reset kembali. Selanjutnya recloser siap kembali untuk melakukan reclos PMT bila terjadi gangguan baru. Secara umum setelan DT adalah 1 detik dan BT adalah 40 detik. BUS
PMT Beban TC
CC
RLY
S C
DT BT
recloser
+ Gambar 44-10. Recloser. Mode operasi recloser pada umumnya ada 2 macam, yaitu : 1. SPAR (Single Pole Auto Reclose). Hanya satu fasa (yang terganggu saja) yang mengalami reclose. Untuk itu harus menggunakan jenis PMT Single Pole Operation yang bisa trip satu fasa.
52
2. TPAR (Three Pole Auto Reclose). Ketiga fasa mengalami reclose. Belum digunakan di PLN. 4.4.2. Rele synchro chek (25) Rele synchro chek adalah suatu alat pelengkap (bukan rele pengaman) yang digunakan dalam memasukan PMT yang menghubungan dua sistem tegangan (syarat paralel tegangan) yaitu tegangan Line dengan tegangan Bus atau tegangan Generator dengan tegangan Line.
Relai mendeteksi tegangan,
frekuensi dan sudut fasa pada kedua sistem dengan PT (gambar 4-11). Apabila ketiga besaran tersebut sama atau mendekati sama, maka PMT bisa masuk, sebaliknya bila ada perbedaan yang tdak bisa ditolerir maka PMT tidak bisa dimasukkan. BUS PMT Line Line
PT
PMT
25 PT
Gambar 44-11. Synchro check
53
BAB V PROTEKSI GENERATOR Generator adalah suatu peralatan system tenaga listrik yang sangat mahal dan mempunyai tingkat kesulitan ( trouble ) yang
lebih dari pada
peralatan yang lain. Untuk itu maka diperlukan sistem proteksi generator yang bertujuan untuk mencegah kerusakan generator karena gangguan atau kondisi abnormal yang terjadi di daerah petak generator maupun di dalam generator itu sendri. Aksi yang dibutuhkan tergantung dari sifat gangguan, biasanya memisahkan fungsi proteksi kedalam : urgen , tidak urgen dan alarm. 5.1. Gejala gangguan, gangguan, macam dan penyebabnya. Gangguan pada generator dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Gangguan listrik ( electrical fault ) 2. Gangguan mekanis / panas ( mechanical / thermal fault ) 3. Gangguan system ( System fault ) 5.1.1. Gangaguan listrik ( Electrical fault ). ). Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul dan terjadi pada bagian bagian listrik dari generator. Gangguan gangguan tersebut antara lain : 1. Hubung singkat 3 fasa Terjadi arus hubung singkat pada stator ( three phase fault ) . Gangguan ini akan menimbulkan loncatan bunga api dengan suhu tinggi yang akan melelehkan belitan dengan resiko terjadinya kebakaran jika isolasi tidak terbuat dari bahan anti api ( non flameable ) 2. Hubung singkat 2 fasa. Hubung singkat 2 fasa lebih berbahaya dibandingkan hubung singkat 3 fasa, karena disamping akan terjadi kerusakan pada belitan juga timul vibrasi pada kumparan stator. Kerusakan yang lain yang muncul adalah pada poros (shaft) dan kopling turbin akibat adanya moment puntir.
54
3. Hubung singkat 1 fasa ke tanah ( Stator Ground Fault ) Kerusakan akibat gangguan 2 fasa masih bisa diperbaiki atau mengganti sebagian konduktor , tetapi kerusaka laminasi besi ( iron lamination ) akibat gangguan 1 fasa ke tanah akan menimbulkan kerusakan serius yang memerlukan perbaikan secara total . gangguan jenis ini harus segera diproteksi. 4. Rotor hubung tanah ( Field ground ) Pada rotor generator yang belitannya tidak dihubungkan ke tanah (Ungrounded system ), bila salah satu sisi tehubung ke tanah tidak menimbulkan masalah , tetapi bila terjadi sisi lainnya terhubung ke tanah maka akan terjadi kehilangan arus pada bagian yang terhubung singkat ke tanah. Akibatnya terjadi ke tidak seimbangan fluksi yang menimbulkan vibrasi yang berlebhan dan kerusakan pada rotor. 5. Kehilangan medan penguat ( Loss of Exitation ) Hilang medan penguat akan menyebabkabkan generator berfungsi sebagai generator asinkron ( Induksi ). Kondisi ini akan mengakbatkan pemanasan lebih pada rotor dan pasak ( slot wedges ) akibat arus induksi yang bersirkulasi pada rotor. 6. Tegangan lebih ( Over voltage ) Tegangan lebih yang melampaui batas maksimum yang diijinkan dapat berakibat tembusnya isolasi ( breakdown ) yang mengakibatkan timbulnya hubung sngkat antar belitan . Tegangan lebih dapat ditimbulkan oleh mesin putaran lebh (overspeed) atau kerusakan pengatur otomatis (AVR). 5.1.2. Gangguan Mekanis / panas 1. Generator berfungsi sebagai motor ( Motoring generator ) Berubahnya fungsi generator menjadi motor akibat adanya daya balik ( reverse power ).
Daya balik terjadi karena turunnya masukan dari
penggerak mula . peristiwa motoring akan mengakibatkan pemanasan lebih
55
pada sudu sudu turbin uap , kavitasi pada sudu sudu turbin air dan ketidak stabialan pada turbin gas. 2. Pemanasan lebih setempat Pemanasan lebih setempat pada sebagian stator dapat diakibtkan oleh :
Kerusakan laminasi
Kendornya bagan bagian tertentu dalam generator seperti : pasak pasak stator , terminal ujung ujung belitan dan sebagainya.
3. Kesalahan paralel Kesalahan dalam memaralel generator karena persyaratan sinkron tiadak terpenuhi dapat mengakibatkan kerusakan pada bagian bagian poros dan kopling generator dan penggerak utamanya karena terjadi moment puntir. Kemungknana kerusakan yang laian adalah pada PMT nya , kerusakan pada belitan stator akibat kenaikan tegangan sesaat. 4. Gangguan pendingin stator Gangguan pada media pendingin stator ( media udara,hidrogen atau air ) Akan menyebabkan kenaikan suhu belitan stator. Apabila suhu belitan melampaui batas rating nya akan berakibat kerusakan belitan. 5.1.3. Gangguan sistem ( System Fault ). Generator dapat terganggu akibat adanya gangguan yang datang atau terjadi di sistem. Gangguan gangguan sistem yang terjadi umumnya : 1. Frekuensi operasi yang tidak normal ( Abnormal Frequency operation ) Perubahan frekuensi yang keluar dari batas batas normal di sistem dapat berakibat ketiadak stabilan pada turbin generator. Perubahan frekuensi sistem dapat dimungkinkan oleh tripnya unit pembangkit atau penghantar ( transmisi ). 2. Lepas sinkron ( Loss of synchronism ) Adanya gangguan di sistem akibat adanya perubahan beban mendadak , swicthing, hubung singkat akan menimbulkan ketidak stabilan sistem. Apabila
56
peristiwa ini cukup lama dan melampaui batas kestabilan generator maka maka generator akan kehilangan kondisi sinkron. Keadaan ini akan menimbulkan arus puncak yang tinggi dan penyimpangan frekuensi operasi sehingga akan menyebabkan terjadinya stres pad belitan generator, gaya puntir yang berfluktuasi dan resonansi yang akan merusak turbin generator . pada kondisi ini generator harus dilepas dari sistem. 3. Pengaman cadangan ( back up protection ) Kegagalan fungsi proteksi di depan generator pada saat terjadi gangguan di system menyebabkan dirasakan oleh generator . Untuk ini perlu dipasang pengaman cadangan. 4. Arus beban kumparan yang tak seimbang ( Unbalance Armature current ) Pembebana yang tidak seimbang pada sistem atau adanya gangguan 1 fasa atau 2 fasa di sistem akan menyebabkan beban generator tak seimbang dan menimbulkan arus urutan negatip . Arus ini akan menginduksikan arus medn yang berfrekuensi rangkap dengan arah berlawanan dengan putaran rotor dan akan menginduksikan arus pada rotor yang akan menyebabkan adanya pemanasan lebih dan keruskan pada bagian bagin konstruksi rotor. 5.1 5.1.4 Jenis gangguan dan jenis relai proteksi generator Tabel 5-1 dibawah ini menerangkan berbagai macam jenis gangguan yang mungkin terjadi pada generator, penyebabnya dan jenis proteksi yang menanganinya.
57
Tabel 55-1. MacamMacam-macam gangguan pembangkit. JENIS GANGGUAN
PENYEBAB
RELAI PROTEKSI (KODE ANSI )
ROTOR GANGGUAN TANAH
KEGAGALAN ISOLASI PADA BELITAN ROTOR
RELAI ROTOR GGN TANAH ( 64F )
DAYA BALIK
DAYA GERAK PENGGERAK MULA HILANG/BERKURANG
RELAI DAYA BALIK ( 32 )
MUNCUL ARUS URUTAN NEGATIP
BEBAN TIDAK SEIMBANG
RELAI ARU URUTAN NEGATIP ( 46 )
HUBUNG SINGKAT
KEGAGALAN ISOLASI
RELAI ARUS LEBIH ( 51G / 50 G ) RELAI IMPEDANSI ( 21 GB ) RELAI DIFF. ( 87G )
STATOR HUBUNG TANAH
KEGAGALAN ISOLASI
RELAI STATOR GANGGUAN TANAH ( 59N , 51N )
KEGAGALAN AVR
RELAI TEGANGAN LEBIH ( 59G )
TEGANGAN LEBIH
ARUS MEDAN HILANG / KURANG
LEPAS SINKRON
BELATAN MEDAN HUBUNG SINGKA KEGAGALAN AVR/ BEBAN VAR KAPASITIP TERLALU TINGGI
RELAI ARUS MEDAN HILANG ( 40 )
ARUS MEDAN HILANG SWITCHING BEBAN / GANGGUAN
RELAI LEPAS SINKRON
58
5.2. Diagram proteksi generator. Jenis proteksi terpasang pada generator bervariasi tergantung pada ukuran (kapasitas) pembangkit serta jenis pembangkit itu sendiri (Uap, Gas, Hidro, Combine, Diesel). 5.2.1. Generator Generator dengan kapasitas kecil. kecil.
BUSBAR CT
52 51V
CT
32
40
46
87 PT
64F
FIELD
GENERATOR CT 51N
KET.GAMBAR : 51V RELAI OCR DENGAN TEGANGAN RESTRAINT / KONTROL 32 RELAI DAYA BALIK 40 RELAI KEHILANGAN PENGUAT MEDAN 46 RELAI ARUS URUTAN NEGATIP 87 RELAI DIFERENSIAL 51N RELAI STATOR HUBUNG TANAH 64F RELAI ROTOR HUBUNG TANAH 52 PMT
R
G ambar 55-1 diagram satu garis proteksi generator kecil.
5.2.2. Generator dengan kapasitas besar. besar. Dibawah ini akan disampaikan diagram garis tunggal dan diagram logika urutan kerja beberapa jenis pembangkit dengan kapasitas besar, antara lain PLTU, PLTP, PLTG, PLTA dan PLTD. 5.2.2.1. Proteksi Proteksi Generator PLTU (gambar 55-2 dan 55-3). Pengaman Utama : Bila salah satu atau lebih dari relai utama bekerja maka akan memberikan perintah ke Generator lock out relay 86G untuk mentripkan PMT Generator ,
59
PMB Excitation , turbin dan Boiler serta Alarm. Untuk relai kehilangan penguat medan ( 40 )
harus dikontrol oleh relai Voltage balance ( 60 ) .drngan
menggunakan gerbang And . Pengaman back up : Bila salah satu pengaman back up bekerja akan memerintahkan relai Generator back up lock out ( 86GB ) untuk memberikan perintah alarm , trip PMT Generator A dan AB di switch yard. Untuk relai Jarak 21GB dikontrol oleh relai Voltage balance ( 60 ). Pengaman starting Transformer, bila salah satu dari pengaman Trafo Starting bekerja , maka akan memberikan perintah ke relai Starting Transformer Lock out ( 86RT ), untuk mmberikan perintah : alarm , trip PMT di switch yard dan PMT switchgear. Bilamana salah satu dari relai ( 64F ) dan (60) bekerja maka relai tersebut hanya memberi alarm.
60
32 PT
46
40
37
21
62
87
PLTU TRAFO DISTRIBUSI
60
G PT
59/81 AVR
64F
59
•
SWITCH GEAR
51 51N •
50/51 50/51
50/51 50/51
87 MAT 87 87
96
M
87
M
51N
•
RAT
96
GT
96
51N
86 G
RT 86
86 GB
A
PMT
51N
AB
87
B
Gambar 55-2. Diaram garis tunggal proteksi PLTU
61
@ PENGAMAN UTAMA A : ALARM B : PMT GEN. TRIP ( 52A DAN 52AB) C : PMB EKSITASI (41F) D : TURBIN TRIP E : BOILER TRIP
32 40 & 60 51N 59
A B C D E
87G OR
87GT
86G
87AT 96GT 96AT
GENERATOR BACK UP 21GB & 60 86GB
OR
46
A
ALARM
B
PMT GEN. TRIP A & AB
51N AT
RESERVE ( STARTING TRANSFO ) 51N OR
87RT
86RT
A ALARM B PMT SWITCHYARD C PMB SWITCHGEAR
96RT 60 OR
Alarm
64F
Gambar 5-3. Diagram logika proteksi PLTU
62
5.2.2.2. Proteksi Proteksi Generator PLTG
32
PT
60
40
46
51V
27
87
PLTG
64G
G PT
86
AVR
N1.N2
64F
86 G1.G2
SWITCH GEAR
51/51N
50/51 50/51
50/51 50/51
M
M
52G
GT 87T T1.12
63X
86
64N 52L
SWITCH YARD I II
Gambar 55-4. Diagram tunggal proteksi PLTG
63
@ PENGAMAN UTAMA GENERATOR 87G A B C D
60 OR
& 40
86 G1/2
64G A : ALARM B : PMT GEN. TRIP ( 52G ) C : PMB EKSITASI TRIP (41F) D : UNIT TRIP E ; PMT TRANSFO TRIP (52L) 27 32 OR
51V
A B
86 N1/2
46
PENGAMAN TRAFO UTAMA
87T 63X
OR
86 T1/2
A B E
64N
64F
A
63X = PRESSURE RELAY 64N = NEUTRAL GROUND FAULT 64G = STATOR GROUND FAULT RELAY
Gambar 5-5. Diagram Diagram loggika dari proteksi PLTG
64
5.2.2.3. Proteksi Generator PLTP
32 PT
40
46
51V
59
81
87
PLTP
TRAFO DISTRIBUSI
60
G PT
86 G2
27 AVR
64 GN
SWITCH GEAR
86G
51/51N
50/51 50/51
50/51 50/51
M
M
87 GT
52G
51N
86
T2
T1/2
86 T2
87 T1/2
87 T1 52L
SWITCH YARD I II
Gambar 5-6. Diagram tunggal proteksi PLTP
65
@ PENGAMAN UTAMA
64GN OR
86G
A B C
OR
86G2
A B C
87G
32 40 & 60 46 51V 59 A : ALARM B : PMT GEN. TRIP ( 52G) C : PMB EKSITASI (41F) D : PMB GEN. TRAFO TRIP ( 52T1/T2 )
81
PENGAMAN TRAFO TI / T2
87GT 87T1
OR
86 T1 / T2
A B C D
86 T2
A B C D
87T1/2
51NT2 51T2
OR
Gambar 5-7. Diagram Diagram loggika dari proteksi PLTP PLTP
66
5.2.2.4. Proteksi Generator PLTA
27G
59G
81
64 87G
51V
PLTA
PT
G 51E
PT
40 AVR
64F
STATION AUX. SERVICE 86 G
86S 51S
51S
87S
50/51 50/51
50/51 50/51
M
M
87S
MAT GT
51N 86 GB
A
PMT
AB
B
@ PENGAMAN UTAMA 87G 40 & 60 ALARM 51G 86G 27G
TRIP PMT 52A,52AB TRIP PMB EXC. 41F
50G 81
TRIP PMT 52A,52AB
OR
87MT 51MT
ALARM OR
86G
TRIP PMT 52A,52AB TRIP PMB EXC. 41F
51N ALARM
51S OR 87S
86G
TRIP PMB EXC. 41F TRIP PMT 52S
Gambar 5-8. Diagram garis tunggal dan logika proteksi PLTA
67
5.2.2.5. Proteksi Generator PLTD
87G
G
AVR
25
27
59
64
50/ 51
49 87 GT
TRAFO GENERATOR
32
51
52L 20 KV
87G 87GT 32
49 50/51
ALARM OR
86
TRIP PMT 52L TRIP PMB EXC. 41F
27
59
64
Gambar 5-9. Diagram garis tunggal dan logika proteksi PLTD
68
5.3. Prinsip kerja dan karakteristik relai proteksi Pembangkit 5.3.1. Relai Arus Lebih Berfungsi sebagai pengaman stator untuk gangguan antar fasa dan fasa ke tanah ,terutama untuk generator kapasitas kecil ( sampai dengan 500 KVA ). Untuk kapasitas 5 MVA keatas digunakan relai arus lebih dengan tegangan penahan / restaraint maupun dengan tegangan kontrol . Relai Arus lebih dengan tegangan kontrol ( 51V ) Relai ini mendeteksi arus dan tegangan dari generator , relai ini akan bekerja bila arus melebihi harga settingnya dan tegangan turun diawah atau sama dengan settingnya. Relai ini terdiri dri relai arus lebih dengan karakteristik tunda waktu inverse dan dikontrol oleh relai tegangan kurang. Relai arus lebih dengan tegangan penahan ( 51V ) Arus pick up relai tergantung dari besarnya tegangan . Bila tegangan penahan pada harga ratednya ( normal ), arus kerjanya berkisar kira kira 78% dari arus sttingnya. Setting arus ini tergantung dari sudut fasa nya . Karakteristik kerja dari relai arus lebih dengan tegangan penahan dapat dilihat pada gambar 12. karakteristik tunda waktunya adalah inverse time, 100 90
Arus dalam ( % ) harga Tap
80 70 60 50 40 30 20 10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Tegangan penahan ( % )
Gambar 5-10. 10. Karakteristik kerja relai arus lebih dengan tegangan penahan.
69
5.3.2. Relai Diferensial Relai diferensial merupakan pengaman utama pada generator dan trafo generator. Prinsip kerja dan karakteristik diferensial telah dibahas dalam bab III terdahulu. 5.3.3. Relai stator hubung tanah ( 64, 59 atau 51N ) Relai ini berfungsi untuk mendeteksi gangguan stator satu fasa ke tanah Prinsip relai stator hubung tanah pada generator dipengaruhi oleh sistem pentanahan dari generatornya. Umumnya sistem pentanahan pada generator adalah :
pentanahan dengan impedansi : o langsung o tahanan o reaktansi
pentanahan dengan trafo distribusi
Pada sistem pentanahan dengan inpedansi digunakan relai arus lebih untuk mendeteksi arus urutan nol, sedangkan pada sistem pentanahan dengan menggunakan trafo distribusi digunakan relai tegangan lebih untuk mendeteki tegangan urutan nol (gambar 5-11).
STATOR
CT
51N
R
STATOR
59
REALAI STATOR HUBUNG TANAH MENGGUNAKAN RELAI ARUS LEBIH
PENTANAHAN DENGAN TAHANAN (a)
MENGGUNAKAN RELAI TEGANGAN LEBIH
PENTANAHAN DENGAN TRAFO DISTRIBUSI (b)
Gambar 55-11. Deteksi gangguan tanah stator
70
5.3.4. Proteksi rotor hubung tanah. Terjadinya hubung tanah pada satu titik dari rotor generator tidak menimbulkan pengaruh merusak. Tetapi kejadian ini harus segera diketahui dan diatasi, karena bila terjadi hubung tanah pada titik yang lainnya akan berakibat hubung singkat pada sebagian belitan rotor yang berakibat vibrasi yang merusak. Untuk mendeteksi hubung tanah dapat digunakan metode arus searah ( jembatan seimbang ) dan metode injeksi , dapat ditunjukan dalam gambar 3.7 a dan 3.7 b .
+
+
-
-
AC
v 64F
(a)
(b)
Gambar 5-12. Deteksi belitan rotor hubung tanah. 5.3.5. Relai Arus Lebih Urutan negatip Relai arus urutan negatip berfungsi untuk mendeteksi arus urutan negatip yang muncul pada saat terjadi gangguan yang tidak seimbang,, misal :
Gangguan satu fasa ke tanah
Gangguan antar fasa dan dua fasa ke tanah
Kegagalan menutup kontak pada pmt single pole
Gangguan yang tidak simetris akan menimbulkan arus urutan positip, negatip dan urutan nol. Komponen arus urutan negatip mengakibatkan :
Contra rotating medan magnit
Fluks stator memotong rotor dua kali kecepatan sinkron
Menginduksi arus frekuensi double pada permukaan rotor.
Timbul arus edy sehingga menyebabkan pemanasan lebih pada rotor.
71
Relai arus urutan negatip ini digunakan sebagai pengaman cadangan dari generator. Pada dasarnya relai urutan negatip terdiri dari filter arus urutan negatip dan relai arus lebih dengan tunda waktu inverse time. 5.3.6. Relai Fluksi Lebih ( Over Fluxing Relay ) Berfungsi untuk mendeteksi fklusi lebih pada inti besi dari trafo utama (Generator Transformer). Besaran input dari relai ini adalah tegangan yang diambil dari Potensial Tranformer ( PT ). Besaran Fluksi diperoleh dari persamaan dasar :
E = K × Φ × f atau Φ = K ×
E f
dimana E = tegangan AC Φ = fluksi f = Frekuensi k = konstante
Hubungan tegangan terhadap frekuensi pada pada setting waktu yang berbeda dapat dilihat pada gambar 5-13.
DIAGRAM V / Hz K = 2,5 140
K = 2,0
120
K = 1,8
100 VOLT
80 60 40 20
10
20
30
40
50
60
70
Hz
Gambar 55-13. Kurva pick up tegangan fungsi fungsi frekuensi Relai Fluksi lebih.
72
Fluksi lebih dapat menimbulkan panas pada inti trafo , dan selanjutnya mengakibatkan penurunan isolasi. Fluksi lebih diakibatkan oleh :
Tegangan sistem naik, karena lepasnya beban generator, atau efek firanti transmisi ( beban rendah ).
Frekuensi sistem turun, eksitasi generator pada putaran rendah.
Kondisi fluksi lebih :
Transient ( sementara ) : maka relai stabiol.
Persistent ( berlanjut ) : maka relai trip.
Pemasangan relai fluksi lebih dijelaskan pada gambar 5-14.
TRAFO PMT
GEN
PT TO OTHER RELAY 7
6
DIAGRAM EKSTERNAL RELAI FLUXI LEBIH
VHz LOGIC VHz
+
125V 250V
1 2
4
48V
10
5
VHz
TSI
SI
TU 3
TIMING LOGIC
8
VHz
TU
41a ALARM
41TC
9
-
Gambar 55-14. Diagram eksternal dari relai fluksi lebih.
5.3.7. Relai Daya Balik. Relai daya balik (Reverse Power) berfungsi untuk mendeteksi aliran daya aktip yang masuk kea rah generator. Perubahan aliran daya aktip yang masuk ke generator disebabkan oleh pengaruh rendahnya input dari penggerak mula (
73
terjadi gangguan pada penggerak mula ) generator. Bila input penggerak mula ( prime mover ) ini tidak dapat mengatasi rugi rugi yang ada, maka kekurangan daya diperoleh dengan cara menyerap daya aktip dari sistem sehingga generator akan menjadi motor. Selama penguatan medan masih ada , maka aliran daya reaktip generator sama halnya seperti sebelum generator sebagai motor. Peristiwa ini disebut motoring generator. Pada turbin uap sebagai prime mover keadaan motoring dapat menyebabkan pemanasan berkebihan karena terjadinya turbolensi dari uap yang terkurung didalamnya. Oleh karena itu relai daya balik harus mempunyai respon yang sensitip terhadap gejala awal dari daya balik. Relai daya balik yang terpasang pada PLTG mempunyai dua fungsi yaitu untuk otomatik pelepasan beban dan pengaman anti motoring. Relai daya balik dipasang pada generator PLTU, PLTP, PLTA, dan PLTD untuk pengaman utama ( main protection ). Saat generator menyerap daya aktip, maka relai akan bekerja untuk melepas pemutus tenaga line dan PMB Eksitasi maupun prime mover harus trip. Besarnya daya aktip yang diserap oleh generator dan harus segera diamankan tergantung pada prime mover seperti tabel 5-2 dibawah ini . Tabel 55-2. Batas daya aktif balik macammacam-macam pembangkit
Jenis penggerak generator
Daya aktip ( KW )
Turbin uap dengan condensing
3% name plate rating
Turbin uap tanpa condensing
3% name plate rating
Diesel
25% name plate rating
Turbin air
0,2 s/d 2% name plate rating
Prinsip kerja dari relai ini berdasarkan asas Wattmeter
Asas induksi piringan atau mangkok ( cup )
Arus sebagai operating dan tegangan sebagai patokan ( referensi )
74
Mendeteksi arah dan besarnya daya
Arah daya tergantung dari besarnya sudut fasa antara arus dan tegangan.
Relai akan menghailkan torsi untuk sambungan 90 o yaitu arus IA dan tegangan VBC (gambar 5-15).
VA DAERAH KERJA
IC
IA
DIRECTIONAL UNIT
VBC TIMING UNIT
VC
IB
VB GARIS TORSI NOL
Gambar Gambar 55-15. Karakteristik daerah kerja relai daya balik.
Relai daya balik juga dilengkapai dengan timing unit untuk karakteristik Daya – waktu. 5.3.8. Relai kehilangan Penguat medan. medan. Relai kehilangan penguat medan (loss of excitation) berfungsi untuk mendeteksi hilangnya arus penguat medan generator, atau mendeteksi daya reaktip dari sistem ke generator. Besar kecilnya arus penguat medan dari generator diatur oleh Automatic Voltage Regulator ( AVR ) sehingga tegangan generator tetap konstan seperti yang dikehendaki meskipun terjadi perubahan beban. Apabila arus eksitasi naik , daya reaktip yang disalurkan dari generator ke sistem akan naik dan begitu juga sebaliknya. Bila arus eksitasi semakin kecil maka aliran daya reaktip akan berbalik ke generator, dengan perkataan lain generator
75
menyerap daya reaktip dari sistem. Kehilangan penguat medan pada generator yang paralel dengan sistem mengakibatkan :
Generator akan bekerja sebagai mesin induksi ( generator asinkron )
Fluks yang diberikan arus reaktip stator diambil dari sistem ( leading power factor ).
Arus slip frekuensi diinduksikan pada rotor akan menimbulkan pemanasan lebih.
Situasi ini tidak membutuhkan trip segera tetapi untuk mesin yang besar mempunyai thermal time contant yang pendek. Relai ini berperan sebagai pengaman utama pada generator. Relai ini perlu dikontrol oleh relai tegangan seimbang ( 60 ) yang selanjutnya baru bisa mentripkan PMT atau mengirim signal ke relai Lock out ( 86 ). Ada 2 metode / pola pengamanan yaitu : 1. Pola pengaman yang sederhana, menggunakan Under current relay DC seperti yang ditunjukan pada gambar 5-16. 2. Pola alternatip ( Loss of excitation Relay )
POLA PENGAMAN SEDERHANA
FIELD WINDING
EXCITER
I exct
SHUNT
R
SUPLAI BANTU
DC RELAY SET < Iexct MIN
T1 T2 ALARM ATAU TRIP
0,2 – 1 det 2 – 10 det
Gambar 55-16. Pemgaman loss of excitation pola sederhana
76
Bila arus eksitasi turun dibawah batas minimum / setting maka relai arus kurang R akan menutup kontaknya, T1 akan bekerja setelah waktu tundanya. Selanjutnya kontak relai T1 menutup (mengerjakan T2) , setelah tunda waktu dari T2 maka akan memberikan perintah trip dan alarm. Pola alternatip (gambar 55-17)
XG
EG
XS
XT
ES
R Gambar 5-17. 17. Pemgaman loss of excitation pola pola alternatif Dengan memonitor impedansi pada terminal generator
Medan gagal , rasio E G /E S berkurang dan sudut rotor bertambah
Mesin start pada pole slip dengan GGL ( internal EMF ) turun
Impedansi dilihat oleh relai melewati impedansi locus.
KARAKTERISTIK LOSS OF EXCITATION RELAY Tipe KLF Westinghouse +
X D X
ZC
Z ICS
R DIRE CT
V X
IONA L ICS
D = Directional Z = Impedansi V = Under voltage
R
86
-X
ZA
_
Gambar 5-18. 18. Karakteristik relai loss of excitation
77
5.3.9. Relai Lepas Sink Sinkron inkron Peristiwa lepas sinkron ( out of step ) pada generator yang sedang beroperasi paralel terhadap system disebabkan
generator beroperasi melampaui batas
stabilitasnya. Yang dimaksud dengan stabilitas dari sistem tenaga
adalah
kemampuan untuk kembali bekerja normal setelah mengalami suatu gangguan, seperti perubahan beban , switching , hubung singkat dan peristiwa lainnya. Ada 3 macam stabilitas yaitu stabilitas mantap ( steady state stability ), stabilitas dinamis ( dinamic stability ), dan stabilitas transien ( transient tability). Gangguan yang terjadi pada sistem akan mengakibatkan rotor generator berosilasi sehingga terjadi perubahan parameter parameter arus ( I ), tegangan ( V ) dan power factor Cosϕ . Osilasi ini mungkin berlangsung sebentar, untuk memberikan kesempatan kepada sistem kembali ke operasi normal ( dalam hal ini relai tidak bekerja ). Perubahan parameter I, V dan Cosϕ (selama ayunan) tersebut dirasakan oleh relai sebagai perubahan impedansi. Prinsip kerja relai out of step sama seperti relai power swing pada relai jarak di penghantar. Relai ini akan mengamankan generator dari peristiwa ayunan apabila electrical centre memauki daerah impedansi generator. 5.3.10. Relai tegangan seimbang ( Voltage balance balance Relay ) [ 60 ] Relai tegangan seimbang berfungsi untuk memblok relai atau peralatan lainnya bila terjadi ketidakseimbangan tegangan pada sekunder PT yang dapat terjadi karena terbukanya rangkaian sekunder trafo tegangan. Prinsip kerja dari relai ini dapat dilihat pada gambar 5-19. Relai bekerja dengan menutup salah satu kontak (kanan atau kiri) bila terjadi ketidakseimbangan tegangan. Kontak kanan dapat diatur untuk menutup jika tegangan tiga fasa dipasang pada terminal 5-6-7. Kontak kiri dapat diatur untuk menutup jika tegangan tiga fasa dipasang pada terminal 15-16-17 dan dapat diturunkan pada harga 50% sampai dengan 96% tegangan nominalnya. Karakteristik kerja relai tegangan seimbang dapat dilhat pada gambar 5-20. Karakteristik ini dapat untuk melihat tegangan tiga fasa yang tidak seimbang.
78
+ 3 2 1
KONTAK KIRI
KONTAK KANAN
TARGET
15
16
17 C1
60
60
C1
R4
R4
60 5 R3
6 7
52a 19
60 GEN 11
12
_
20
Gambar 55-19.Diagram .Diagram sambungan dan kontrol Relai Relai tegangan seimbang
120
100
LEFT CONTACTS CLOSED
80 VOLTAGE ON STUDS 5 – 6 – 7
BOTH CONTACTS OPEN
60
40
20
RIGHT CONTACTS CLOSED
VOLTAGE ON STUDS 15 – 16 – 17
0
0
20
40
60
80
100
120
Gambar 5-20. 20. Karakteristik Relai tegangan seimbang
79
5.3.11. Relai tegangan Lebih dan dan tegangan kurang. Relai tegangan lebih. Relai tegangan lebih bekerja berdasarkan kenaikan tegangan yang melampaui nilai settingnya. Relai tegangan lebih berfungsi :
Sebagai pengaman gangguan stator generator ketanah untuk sistem pentanahan titik netral melalui trafo distribusi.
Sebagai pengaman over speed pada generator PLTA.
Relai tegangan kurang. kurang. Relai tegangan kurang bekerja berdasarkan turunnya tegangan yang mencapai dibawah nilai setting nya. Relai tegangan kurang berfungsi untuk mendeteksi besarnya tegangan terminal generator sampai dengan batas yang ditentukan. 5.3.12. Relai jarak Relai jarak (impedansi minimum) berfungsi sebagai pengaman cadangan generator dan trafo utama. Karena sebagai cadangan maka jangkauan relai jarak bisa sampai ke ujung seksi penghantar di depan pembangkit. Bila terjadi gangguan di seksi penghantar depan pembangkit dan relai jarak di penghantar gagal maka relai 21GB akan bekerja mentripkan PMT di pembangkit. Karakteristik dan fungsi relai jarak telah dibahas pada bab IV. Umumnya relai jarak 21GB adalah relai jarak satu zone.
80
Lampiran. KODE STANDAR PERALATAN PROTEKSI SESUAI ANSI / IEEE 1 - Master Element 2 - Time Delay Starting or Closing Relay 3 - Checking or Interlocking Relay 4 - Master Contactor 5 - Stopping Device 6 - Starting Circuit Breaker 7 - Anode Circuit Breaker 8 - Control Power Disconnecting Device 9 - Reversing Device 10 - Unit Sequence Switch 12 - Overspeed Device 13 - Synchronous-speed Device 14 - Underspeed Device 15 - Speed - or Frequency-Matching Device 20 - Elect. operated valve (solenoid valve) 21 - Distance Relay 23 - Temperature Control Device 25 - Synchronizing or Synchronism - Check Device 26 - Apparatus Thermal Device 27 - Undervoltage Relay 29 - Isolating Contactor 30 - Annunciator Relay 32 - Directional Power Relay 36 - Polarity or Polarizing Voltage Devices 37 - Undercurrent or Underpower Relay 38 - Bearing Protective Device
i
39 - Mechanical Conduction Monitor 40 – Loss of Field Relay 41 - Field Circuit Breaker 42 - Running Circuit Breaker 43 - Manual Transfer or Selector Device 46 - Reverse-phase or Phase-Balance Relay 47 - Phase-Sequence Voltage Relay 48 - Incomplete-Sequence Relay 49 - Machine or Transformer Thermal Relay 50 - Instantaneous Overcurrent Relay 51 - AC Time Overcurrent Relay 52 - AC Circuit Breaker 53 - Exciter or DC Generator Relay 54 - High-Speed DC Circuit Breaker 55 - Power Factor Relay 56 - Field Application Relay 59 - Overvoltage Relay 60 - Voltage or Current Balance Relay 61 - Machine Split Phase Current Balance 62 - Time-Delay Stopping or Opening Relay 63 - Pressure Switch 64 - Ground Detector Relay 65 - Governor 66 - Starts per Hour 67 - AC Directional Overcurrent Relay 68 - Blocking Relay 69 - Permissive Control Device 71 - Level Switch 72 - DC Circuit Breaker 74 - Alarm Relay
ii
75 - Position Changing Mechanism 76 - DC Overcurrent Relay 78 - Phase-Angle Measuring or Out-of-Step Protective Relay 79 - AC-Reclosing Relay 81 - Frequency Relay 83 - Automatic Selective Control or Transfer Relay 84 - Operating Mechanism 85 - Carrier or Pilot-Wire Receiver Relay 86 - Lockout Relay 87 - Differential Protective Relay 89 - Line Switch 90 - Regulating Device 91 - Voltage Directional Relay 92 - Voltage and Power Directional Relay 94 - Tripping or Trip-Free Relay 95 - Reluctance Torque Synchrocheck 96 - Autoloading Relay B – Bus F - Field G – Ground or generator N – Neutral T – Transformer
Catatan : Tulisan tebal menunjukkan yang sering dipakai.
iii
DAFTAR PUSTAKA 1. Komari : Proteksi Sistem Tenaga Listrik 2. IBA Arsana : Modul Pelatihan Proteksi 3. Jemjem Kurnaen & Syofvi Felienty : Pola Sistem Proteksi Jawa Bali. 4. Weshtinghouse : Applied Protective Relaying 5. Wahyudi : Proteksi Distribusi
iv