JURNAL SISTEM PROTEKSI PEMBANGKIT, SISTEM PROTEKSI GENERATOR DAN SISTEM PROTEKSI TRAFO PEMBANGKIT
SISTEM PROTEKSI PEMBANGKIT, SISTEM PROTEKSI GENERATOR DAN SISTEM PROTEKSI TRAFO PEMBANGKIT
Nama : Irwan Rinaldi Saragi
Nim : 5103331017
Jurusan Pendidikan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Negeri Medan
ABSTRAK
Sesuai dengan kemajuan zaman yang semakin lama semakin banyak jumlah manusia di dunia ini dan secar langsung akan mengakibatkan semakin banyak kebutuhan yang harus di sediakan oleh manusia tersebut. Diantara sekian banyak kebutuhan, maka kemajuan teknologi banyak membantu kepentingan manusia, diantaranya kemajuan dalam bidang tenaga listrik.
Sistem proteksi pembangkit ataupun transmisi harus bekerja sesuai syaratnya diantaranya cepat bereaksi jika terjadi gangguan, selektif, peka/sensitif terhadap gangguan, andal/reliability, stabilitas dan ekonomis. Jika syarat tersebut tidak terpenuhi, maka akan mempengaruhi kinerja pembangkit. Dengan menganalisa besar arus gangguan dan hasil pencarian data gangguan baik di sisi GIS 150 kV maupun sisi PLTU 2 banten labuan. Diharapkan diketahui penyebab gangguan di Transmisi 150 kV Saketi dan proteksi apa yang menyebabkan pembangkit trip. Kehandalan suatu pembangkit sangat penting karena jika terjadi gangguan akan menyebabkan pembangkit kehilangan kesempatan produksi dan untuk start kembali membutuhkan waktu dan biaya yang tidak sedikit.
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Keandalan dan kemampuan suatu sistem tenaga listrik dalam melayani konsumen sangat tergantung pada sistem proteksi yang digunakan. Oleh sebab itu dalam perencangan suatu sistem tenaga listrik, perlu dipertimbangkan kondisi-kondisi gangguan yang mungkin terjadi pada sistem, melalui analisa gangguan.
Pada dasarnya gangguan dapat terjadi karena kegagalan operasi peralatan dalam sistem, kesalahan manusia dan karena alam. Langkah yang dapat diambil untuk mencegah terjadinya gangguan antara lain dengan menggunakan isolasi yang baik, membuat koordinasi isolasi dan menghindarkan kesalahan operasi. Tetapi langkah – langkah tersebut dibatasi oleh faktor ekonomis dan alam. Karenanya para engineer sepakat : gangguan boleh saja terjadi dan tidak dapat dihindari namun dampaknya harus diminimisasi.
PEMBAHASAN
A. SISTEM PROTEKSI PEMBANGKIT
1. PENGERTIAN DASAR
Nilai investasi peralatan listrik pada suatu pembangkit listrik sedemikian besarnya, sehingga perhatian yang khusus harus diutamakan agar setiap peralatan tidak hanya dapat beroperasi dengan efisiensi yang optimal, tetapi juga harus teramankan dari kecelakaan/kerusakan yang fatal.
Kerusakan yang fatal dapat menimbulkan :
1. Kerugian biaya investasi.
2. Kerugian operasi (long outage)
3. Terganggunya pelayanan (service)
Untuk itu relai proteksi sangat diperlukan pada peralatan pembangkit. Hampir semua peralatan tidak dibiarkan beroperasi tanpa menggunakan peralatan proteksi. Relai Proteksi adalah suatu perangkat kerja proteksi yang mempunyai fungsi dan peranan :
Memberikan signal alarm/melepas pemutus tenaga (circuit breaker) dengan tujuan mengisolir gangguan/kondisi yang tidak normal seperti adanya :
Beban lebih, tegangan rendah
Kenaikan suhu, beban tidak seimbang
Daya kembali, frekuensi rendah
Hubung singkat dan kondisi tidak normal lainnya
Melepas/mentripkan peralatan yang berjalan tidak normal untuk mencegah timbulnya kerusakan. Contohnya : Proteksi beban lebih (overload) berfungsi untuk mengamankan mesin listrik dan kerusakan isolasi.
Melepas/mentripkan peralatan yang terganggu secara cepat dengan tujuan mengurangi kerusakan yang lebih berat.
Contohnya : Bila suatu mesin listrik secara cepat distop/dilepas setelah terjadinya gangguan pada belitan, maka hanya sebagian kumparan saja yang perlu diperbaiki. Tetapi apabila gangguan terjadi secara terus-menerus maka kemungkinan seluruh belitan akan rusak dan memerlukan perbaikan total/overhoul.
Melokalisir kemungkinan dampak akibat gangguan dengan memisahkan peralatan yang terganggu dari sistem. Peralatan yang terganggu dapat menyebabkan gangguan pada peralatan yang lain yang berada pada sistemnya.
Melepas peralatan/bagian yang terganggu secara cepat dengan maksud menjaga stabilitas sistem, kontinuitas pelayanan dan unjuk kerja sistem
KLASIFIKASI RELAI PROTEKSI
Tabel 1. Klasifikasi Relai Proteksi
No
ASAS KERJA
TIPE KONSTRUKSI
PENGGUNAAN
1
Tarikan Magnit Listrik (Electromagnetic Attraction)
Plunger type
Balanced beam type
Hinged armature type
Polarized moving iron type
Permanent magnet moving coil type
Relai seketika
(Instantaneous Relay)
2
Induksi Magnit Listrik (Electromagnetic Induction)
Induction disc type
Induction cup type
Relay dengan waktu tunda (Time Delay Relay)
3
Relai suhu/panas (Thermal Relay)
Bimetal strip type
Thermocouple type
Electronic
Proteksi motor, generator dan trafo
4
Relai yang
digerak-kan oleh gas
Bucholz relay
Sudden pressure relay (gas pressure relay)
Proteksi trafo
5
Static relay
Rangkaian elektronik
Complex protective system pada generator, motor
Tabel 2. Simbol Dan Kode Relai Proteksi
No
NAMA RELAI
SIMBOL
KODE
1
Relai jarak (distance relay)
Z <
21
2
Relai periksa sinkron (Synchro check relay)
Uf=
25
3
Relai tegangan kurang (Under voltage relay)
U <
27
4
Relai daya balik (Reverse power relay)
P
32
5
Relai arus kurang (Under current relay)
I <
37
6
Relai kehilangan medan penguat (Loss of excitation relay)
B = O
40
7
Relai urutan phasa negatif (Negatif sequence relay)
Ii >
46
8
Relai suhu (Thermal relay)
49
9
Relai arus lebih seketika ( Instantaneous Over current relay)
I >
50
10
Relai arus lebih dengan waktu tunda (Time Over current Relay)
I >
51
11
Relai fluksi lebih (Over excitation relay)
V/f
59/81
12
Relai tegangan lebih (Over voltage relay)
U >
59
13
Relai tegangan seimbang (Voltage balance relay)
Ud
60
14
Relai waktu tunda (Time auxiliary relay)
62
15
Relai tekanan gas (Gas pressure relay)
P
63
16
Relai hubung tanah (Ground fault relay)
64
17
Relai frekuensi (Frequency relay)
f
81
18
Lock out relay
86
19
Relai differensial (Differential Relay)
I
87
20
Relai Bucholz
95
B. SISTEM PROTEKSI GENERATOR
MACAM-MACAM GANGGUAN PADA GENERATOR DAN AKIBATNYA
Macam-macam gangguan pada generator dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
Gangguan listrik/electrical fault
Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul dan terjadi pada bagian-bagian listrik dari generator.
Gangguan-gangguan tersebut antara lain :
Hubung singkat 3 phasa
Terjadinya arus lebih pada stator yang dimaksud adalah arus lebih yang timbul akibat terjadinya hubungan singkat 3 phasa/ 3 phase fault. Gangguan ini akan menimbulkan loncatan bunga api dengan suhu yang tinggi yang akan melelehkan belitan dengan resiko terjadinya kebakaran, jika isolasi tidak terbuat dari bahan yang anti api /nonflammable.
Hubung singkat 2 phasa
Gangguan hubung singkat 2 phasa/unbalance fault lebih berbahaya dibanding gangguan hubung singkat 3 phasa/balance fault, karena disamping akan terjadi kerusakan pada belitan akan timbul pula vibrasi pada kumparan stator. Kerusakan lain yang timbul adalah pada poros/shaft dan kopling turbin akibat adanya momen puntir yang besar.
Stator hubung singkat 1 phasa ke tanah/stator ground fault
Kerusakan akibat gangguan 2 phasa atau antara konduktor kadang-kadang masih dapat diperbaiki dengan menyambung taping atau mengganti sebagian konduktor, tetapi kerusakan laminasi besi (iron lamination) akibat gangguan 1 phasa ke tanah yang menimbulkan bunga api dan merusak isolasi dan inti besi adalah kerusakan serius yang perbaikannya dilakukan secara total. Gangguan jenis ini meskipun kecil harus segera diproteksi.
Rotor hubung tanah/field ground
Pada rotor generator yang belitannya tidak dihubungkan oleh tanah (ungrounded system). Bila salah satu sisi terhubung ke tanah belum menjadikan masalah. Tetapi apabila sisi lainnya terhubung ke tanah, sementara sisi sebelumnya tidak terselesaikan maka akan terjadi kehilangan arus pada sebagian belitan yang terhubung singkat melalui tanah. Akibatnya terjadi ketidakseimbangan fluksi yang menimbulkan vibrasi yang berlebihan serta kerusakan fatal pada rotor.
Kehilangan medan penguat/Loss of excitation
Hilangnya medan penguat akan membuat putaran mesin naik, dan berfungsi sebagai generator induksi. Kondisi ini akan berakibat pada rotor dan pasak/slot wedges, akibat arus induksi yang bersirkulasi pada rotor. Kehilangan medan penguat dapat dimungkinkan oleh :
Jatuhnya/trip saklar penguat (41AC)
Hubung singkat pada belitan penguat
Kerusakan kontak-kontak sikat arang pada sisi penguat
Kerusakan pada sistem AVR
Tegangan lebih/Over voltage
Tegangan yang berlebihan melampaui batas maksimum yang diijinkan dapat berakibat tembusnya (breakdown) design insulasi yang akhirnya akan menimbulkan hubungan singkat antara belitan. Tegangan lebih dapat dimungkinkan oleh mesin putaran lebih/overspeed atau kerusakan pada pengatur tegangan otomatis/AVR.
Gangguan mekanis/panas (mechanical/thermal fault)
Jenis-jenis gangguan mekanik/panas antara lain :
Generator berfungsi sebagai motor (motoring)
Motoring adalah peristiwa berubah fungsi generator menjadi motor akibat daya balik (reverse power). Daya balik terjadi disebabkan oleh turunnya daya masukkan dari penggerak utama (prime mover). Dampak kerusakan akibat peristiwa motoring adalah lebih kepada penggerak utama itu sendiri. Pada turbin uap, peristiwa motoring akan mengakibatkan pemanasan lebih pada sudu-sudunya, kavitasi pada sudu-sudu turbin air, dan ketidakstabilan pada sudu turbin gas.
Pemanasan lebih setempat
Pemanasan lebih setempat pada sebagian stator dapat dimungkinkan oleh :
Kerusakan laminasi
Kendornya bagian-bagian tertentu di dalam generator seperti : pasak-pasak stator (stator wedges).
Kesalahan parallel
Kesalahan dalam memparalel generator karena syarat-syarat sinkron tidak terpenuhi dapat mengakibatkan kerusakan pada bagian poros dan kopling generator, dan penggerak utamanya karena terjadinya momen puntir. Kemungkinan kerusakan lain yang timbul, kerusakan PMT dan kerusakan pada kumparan stator akibat adanya kenaikan tegangan sesaat.
Gangguan pendingin stator
Gangguan pada media sistem pendingin stator (pendingin dengan media udara, hidrogen, atau air) akan menyebabkan kenaikan suhu belitan stator. Apabila suhu belitan melampaui batas ratingnya akan berakibat kerusakan belitan.
Gangguan sistem (system fault)
Generator dapat terganggu akibat adanya gangguan yang datang/terjadi pada sistem. Gangguan-gangguan sistem yang terjadi umumnya adalah :
Frekuensi operasi yang tidak normal (abnormal frequency operation)
Perubahan frekuensi keluar dari batas-batas normal di sistem dapat berakibat ketidakstabilan pada turbin generator. Perubahan frekuensi sistem dapat dimungkinkan oleh tripnya unit-unit pembangkit atau penghantar (transmisi).
Lepas sinkron (Loss of synhcron)
Adanya gangguan di sistem akibat perubahan beban mendadak, switching, hubung singkat dan peristiwa yang cukup besar akan menimbulkan ketidakstabilan sistem. Apabila peristiwa ini cukup lama dan melampaui batas-batas ketidakstabilan generator, generator akan kehilangan kondisi paralel. Keadaan ini akan menghasilkan arus puncak yang tinggi dan penyimpangan frekuensi operasi yang keluar dari seharusnya sehingga akan menyebabkan terjadinya stress pada belitan generator, gaya puntir yang berfluktuasi serta resonansi yang akan merusak turbin generator. Pada kondisi ini generator harus dilepas dari sistem.
Arus beban kumparan yang tidak seimbang (unbalance armature current)
Pembebanan yang tidak seimbang pada sistem/adanya gangguan 1 phasa dan 2 phasa pada sistem yang menyebabkan beban generator tidak seimbang yang akan menimbulkan arus urutan negatif. Arus urutan negatif yang melebihi batas, akan mengiduksikan arus medan yang berfrekuensi rangkap yang arahnya berlawanan dengan putaran rotor akan menyebabkan adanya pemanasan lebih dan kerusakan pada bagian-bagian konstruksi rotor.
MACAM-MACAM RELAI PROTEKSI GENERATOR DAN FUNGSINYA
Tabel 3. Macam- macam Relai Proteksi Generator dan Fungsinya
No
Nama Relai
Fungsi Relai
1
Relai jarak (distance relay)
Untuk mendeteksi gangguan 2 phasa/ 3 phasa di muka generator sampai batas jangkauannya
2
Relai periksa sinkron (synchron check relay)
Pengaman bantu generator untuk mendeteksi persyaratan sinkronisasi atau paralel
3
Relai tegangan kurang (undervoltage relay)
Untuk mendeteksi turunnya tegangan sampai di bawah harga yang diijinkan
4
Relai daya balik (reverse power relay)
Untuk mendeteksi daya balik sehingga mencegah generator bekerja sebagai motor
5
Relai kehilangan medan penguat (loss of excita-tion relay)
Untuk mendeteksi kehilangan arus penguat pada rotor
6
Relai phasa urutan negatif (negative phase sequence relay)
Untuk mendeteksi arus urutan negatif yang disebabkan oleh beban tidak seimbang dari batas-batas yang diijinkan
7
Relai arus lebih seketika (instantaneous over cur-rent relay)
Untuk mendeteksi besaran arus yang melebihi batas yang ditentukan dalam waktu seketika
8
Relai arus lebih dengan waktu tunda (time over current relay)
Untuk mendeteksi besaran arus yang melebihi batas dalam waktu yang ditentukan
9
Relai penguat lebih (over excitation relay)
Untuk mendeteksi penguat lebih pada generator
10
Relai tegangan lebih (over voltage relay)
1. Bila terpasang di titik netral generator atau trafo tegangan yang dihubungkan segitiga, untuk mendeteksi gangguan stator hubung tanah
2. Bila terpasang pada terminal generator : untuk mendeteksi tegangan lebih
11
Relai keseimbangan te-gangan (voltage balance relay)
Untuk mendeteksi hilangnya tegangan dari trafo tegangan ke pengatur tegangan otomatis (AVR) dan ke relay
12
Relai waktu
Untuk memperlambat/mempercepat waktu
13
Relai stator gangguan tanah(stator ground fault relay)
Untuk mendeteksi gangguan hubung tanah pada stator
14
Relai kehilangan sinkroni-sasi (out of step relay)
Untuk mendeteksi kondisi asinkron pada generator yang sudah paralel dengan sistem
15
Relai pengunci (lock out relay)
Untuk menerima signal trip dari relai-relai proteksi dan kemudian meneruskan signal trip ke PMT, alarm, dan peralatan lain serta penguncinya
16
Relai frekuensi (frequen-cy relay)
Untuk mendeteksi besaran frekuensi rendah/lebih di luar harga yang ditentukan
17
Relai differensial (diffe- rential relay)
Untuk mendeteksi gangguan hubung singkat pada daerah yang diamankan
C. SISTEM PROTEKSI TRAFO PEMBANGKIT
MACAM-MACAM GANGGUAN PADA TRAFO PEMBANGKIT DAN AKIBATNYA
Yang dimaksud transformator pembangkit dalam pembahasan ini adalah :
Transformator Generator (Generator Transformer) / Transformator Utama (Main Transformer).
Transformator bantu utama (Main Auxiliary Transformer) / Transformator Pemakaian Sendiri.
Transformator bantu cadangan (Reserve Auxiliary Transformer) / Transformer start (Starting Transformer).
Transformator lainnya yang digunakan untuk pemakaian motor-motor bertegangan rendah
Macam-macam gangguan transformator pembangkit dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
Gangguan luar / External fault
Gangguan luar dimaksud adalah gangguan yang diakibatkan oleh, atau terjadi di luar daerah pengamanan transformator yang dapat mengakibatkan kerusakan pada transformator. Contoh :
Beban lebih/over load.
Pembebanan lebih yang melampaui kapasitasnya menyebabkan pemanasan yang berlebihan akibat kenaikan suhu.
Suhu yang tinggi dapat mengakibatkan :
Memperpendek umur transformator/lifetime
Merusak isolasi dan material belitan
Hubung singkat di sisi luar/external short circuit
Terjadinya hubung singkat phasa ke phasa atau phasa ke tanah di luar daerah pengaman transformator itu sendiri dapat merusak bagian-bagian transformer.
Gangguan dalam / internal fault
Gangguan dalam yang dimaksud adalah gangguan yang bersumber dari dalam trafo itu sendiri. Gangguan dalam transformator dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
Gangguan listrik / electrical fault
Gangguan ini tergolong gangguan berat yang dapat menyebabkan kerusakan pada bagian-bagian transformator. Gangguan ini biasanya dapat terdeteksi langsung oleh relai-relai arus dan tegangan.
Gangguan tersebut antara lain :
Gangguan hubung singkat phasa ke phasa atau phasa ke tanah pada terminal belitan tinggi atau rendah
Gangguan hubung singkat phasa ke phasa atau phasa ke tanah pada belitan tinggi atau rendah.
Hubung singkat diantara gulungan belitan tegangan tinggi atau rendah (interturn fault) yang disebabkan karena kerusakan laminasi di dalam gulungan
Hubung singkat pada belitan tertier
Gangguan awal
Gangguan ini sering diistilahkan incipient fault yaitu gangguan yang tergolong ringan dan berawal dari gangguan kecil namun kemudian secara perlahan-lahan berkembang menjadi gangguan besar/berat dan mengakibatkan kerusakan, apabila tidak segera terdeteksi.
Keadaan gangguan seperti ini tidak dapat terdeteksi oleh relai-relai arus dan tegangan. Gangguan tersebut antara lain :
Kendornya baut-baut / ring pada terminal konduktor
Gangguan pada inti besi akibat kerusakan laminasi isolasi yang menimbulkan percikan bunga api di bawah minyak
Gangguan di sistem pendingin, seperti kerusakan pada pompa sirkulasi minyak, kipas pendingin dan bagian-bagian dari sistem pendingin lainnya yang dapat menyebabkan kenaikan suhu operasi yang tinggi sementara transformator masih beroperasi di bawah beban penuh
Adanya kemungkinan pengentalan minyak atau kebuntuan pada bagian-bagian tertentu, sehingga sirkulasi minyak menjadi terganggu yang dapat mengakibatkan pemanasan setempat atau lokal hot spot pada sebagian belitan.
Gangguan atau tidak berfungsinya bagian-bagian mekanik dari tap perubahan pembebanan atau load tap changer akibat pemasangan yang kurang sempurna (loss contact, getaran, dsb)
Kebocoran minyak dari bagian las-lasan, perapat packing, dsb.
Gangguan pada terminal bushing akibat adanya kontaminasi, keretakan, penuaan, binatang, dsb.
MACAM-MACAM RELAI PROTEKSI TRAFO PEMBANGKIT DAN FUNGSINYA
Tabel 4. Macam- macam Relai Proteksi Trafo Pembangkit dan Fungsinya
No
Nama Relai
Fungsi Relai
1
Relai suhu
Relai ini adalah relai mekanis yang berfungsi mendeteksi suhu minyak dan kumparan secara langsung yang akan membunyikan alarm serta mengeluarkan/mentripkan PMT.
Relai suhu ini dipasang pada semua transformator
2
Relai beban lebih
Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap suhu yang berlebihan akibat beban lebih
3
Relai Bucholz
Relai ini berfungsi untuk mendeteksi adanya gas yang ditimbulkan oleh loncatan bunga api dan pemanasan setempat dalam minyak transformator
4
Relai tekanan lebih (sudden pressure relay)
Bagi transformator tanpa konservator, dipasang relai tekanan mendadak yang dipasang pada tangki, dan bekerja dengan pertolongan membran.
Relai ini dipasang pada semua transformator.
5
Relai arus lebih
Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat antar phasa di dalam maupun di luar daerah pengamanan transformator. Relai ini juga diharapkan mempunyai sifat komplementer dengan relai beban lebih. Relai ini berfungsi juga sebagai pengaman cadangan bagi bagian instalasi lainnya
6
Relai gangguan tanah
Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap hubung tanah, di dalam dan di luar daerah pengamanan.
7
Relai differensial
Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat yang terjadi di dalam daerah pengamanan transformator
8
Relai gangguan tanah terbatas (Restricted earth fault relay)
Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan tanah dalam daerah pengamanan transformator khususnya untuk gangguan di dekat titik netral yang tidak dapat dirasakan oleh relai differensial
9
Relai fluksi lebih
Relai ini berfungsi untuk mengamankan transformator generator. Relai ini mendeteksi besaran fluksi /perbandingan tegangan dan frekuensi
