PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK
PENGARUH GANGGUAN HUBUNG SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK*) Oleh Ir.Wahyudi Sarimun.N.MT **)
A b s t r a k
Keandalan sistem tenaga listrik dari pembangkitan pembangk itan sampai dengan distribusi distribus i sangat diperlukan baik oleh pelanggan maupun pemasok tenaga listrik dalam hal ini PLN. Gangguan-gangguan yang terjadi sering dialami oleh jaringan yang terpasang dialam terbuka, seperti Transmisi atau saluran udara tegangan menengah 20 kV Gangguan-gangguan ini diakibatkan oleh petir, binatang dan pohon yang terkena pada jaringan tenaga listrik. Yang dapat menimbulkan menimbulkan gangguan 1 fasa –tanah, dua fasa atau 3 fasa, akibatnya penyaluran tenaga listrik terganggu atau mengalami pemadaman.. Bila gangguan-gangguan seperti tersebut diatas besar nilainya, dapat meng- akibatkan kerusakan pada peralatan listrik yang dilaluinya seperti trans- formator tenaga, tenaga, Pemutus Pemutus dan current current transformer. transformer.
Kata kunci : gangguan Hubung singkat.
* ) = Disampaikan pada pada “Workshop Distribusi” PT PLN (Persero) (Persero) 14 Desember 2009 **) = Purna karya PT PLN (Persero)
1. PENDAHULUAN PLN sebagai pemasok utama energi listrik di Indonesia, pasti akan menghadapi tuntutan peningkatan keandalan yang terus menerus disamping juga peningkatan efisiensi. Indikator keandalan terpenting penyediaan tenaga listrik adalah lama padam/konsumen/ tahun dan kali padam/konsumen/ tahun. Kedua angka itu harus ditekan terus menerus. Pada konsumen PLN angka lama padam itu masih sangat tinggi yaitu sebesar 20 jam/konsumen jam/konsumen /tahun. Sedangkan di negara maju sekitar 15 menit/konsumen /tahun.
WAHYUDI SN
Karena sebagian besar jaringan distribusi 20 kV di Indonesia mempergunakan saluran udara Tegangan Menengah Menengah (SUTM) yang melintasi udara terbuka banyak gangguan-gangguan yang tak dapat dihindari seperti gangguan karena petir atau gangguan yang diakibatkan pepohonan dan binatang. Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya hubung singkat antar fasa (3 fasa atau 2 fasa) atau antara 1 fasa ke tanah, dan dapat bersifat tamporair (non persistant) atau permanent (persistant). Gangguan yang permanen misalnya hubung singkat yang terjadi pada
1
PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK
kabel, belitan trafo atau belitan generator karena tembusnya (break downnya) isolasi padat. Di sini pada titik gangguan memang terjadi kerusakan yang permanen. Peralatan yang terganggu tersebut baru bisa dioperasikan kembali setelah bagian yang rusak di-perbaiki atau diganti. Pada gangguan yang temporer, tidak ada kerusakan yang permanen di titik gangguan. Gangguan ini misalnya berupa flashover antara penghantar fasa dan tanah (tiang, travers atau kawat tanah pada SUTT atau SUTM) karena sambaran petir, atau flashover dengan pohon-pohon yang tertiup angin dan sebagainya. Pada gangguan ini yang tembus (breakdown) adalah isolasi udaranya, oleh karena itu tidak ada kerusakan yang permanen. Setelah arus gangguannya terputus, misalnya karena terbukanya circuit breaker oleh relay pengamannya, peralatan atau saluran yang terganggu tersebut siap diopera-sikan kembali. Arus hubung singkat 2 fasa biasanya lebih kecil daripada arus hubung singkat 3 fasa. Jika tahanan gangguan diabaikan arus hubung singkat 2 fasa kira-kira : ½ √3 (=0,866) kali arus hubung singkat 3 fasa. Arus gangguan 1 fasa ke tanah hampir selalu lebih kecil daripada arus hubung singkat 3 fasa, karena di samping impe-dansi urutan nolnya pada umum-nya lebih besar daripada impedansi urutan positifnya, gangguan tanah hampir selalu melalui tahanan gangguan, misalnya beberapa ohm yaitu tahanan pentanahan kaki tiang dalam hal flashover dengan tiang atau kawat tanah, atau beberapa puluh atau ratusan ohm dalam hal flashover dengan pohon. Di samping itu untuk sistem dengan pentanahan melalui tahanan, tahanan pentanahan netral itu juga WAHYUDI SN
akan membatasi arus gangguan 1 fasa ke tanah. Bila gangguan-gangguan seperti tersebut diatas besar nilainya, dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan listrik yang dilaluinya seperti transformator tenaga, Pemutus dan current transformer. 2. PERHITUNGAN ARUS GANGGUAN
Jaringan sistem tenaga listrik sederhana, seperti terlihat pada gambar 1 dibawah ini, dipasok dari arus bolak balik. Dimana impedansi hubung singkat ZSC (short circuit) terdiri dari tahanan (R) dan reaktansi (X), yang diperoleh dari impedansi sumber, transformator tenaga dan jaringan tenaga listrik, dimana besar kecilnya nilai impedansi jaringan tergantung pada luas penampang dan jarak jaringan dari sumber. R
X A
I ZSC
S Zbeban
e
B
Gambar 1: jaringan sistem tenaga listrik
Impedansi beban (Zbeban) tersambung pada sistem tenaga listrik ini seperti terlihat pada gambar 1. Bila saklar S ditutup, maka akan mengalir arus I dari sumber yang besarnya tergantung pada kapasitas dari beban (VA, Watt atau ohm). Saat jaringan beroperasi terjadi gangguan hubung singkat antara titik A dan B, maka timbul arus gangguan hubung singkat pada jaringan tersebut. besarnya impedansi hubung singkat, sebagai berikut:
2
PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK
ZSC =
( R
2
+ X 2
(1)
Dimana: ZSC = impedansi hubung singkat (ohm,pu) R = Tahanan sistem (ohm,pu) X = Reaktansi sistem (ohm, pu) Dalam sistem distribusi, reaktansi X = 2πf.L nilainya jauh lebih besar dari tahanan (R) , perbandingan antara R dan X atau R/X antara 0,1 s/d 0,3(1). Nilai R/X hampir sama dengan nilai Cosϕ, dimana nilainya adalah R
Cosϕ = R
2
+ X
2
(2)
Secara umum kondisi kenaikan/ transient arus hubung singkat berbeda, tergantung antara lokasi gangguan hubung singkat dan generator. Jika gangguan dekat generator yang dominan adalah impe- dansi generator, tetapi kalau gangguan jauh dari generator yang dominan adalah impedansi generator, transformator dan jaringan . Penjelasan gangguan hubung singkat pada sistem tenaga listrik dijelaskan. sebagai berikut: a.
Gangguan hubung singkat jauh dari generator.
Gangguan hubung singkat seperti ini, sering dijumpai pada sistem tenaga listrik. Dimana kondisi transient yang diperoleh dari aplikasi tegangan persis sama besar dengan rangkaian reactor-resistansi.Tegangannya, sebagai berikut(1): e = E 2 sin(ωt + α)
(3)
Dan arus (i) yang timbul diperoleh dari penjumlahan komponen sinusoidal arus bolak balik dari arus seketika (intantaneous) i ac dan komponen tidak periodik (aperiodic) dari arus seketika idc. i = iac + idc (4)
WAHYUDI SN
Dimana: (II.17) Arus i ac adalah arus bolak-balik yang berbentuk sinusoidal dengan persamaan sebagai berikut: iac = I 2 sin (ωt + α - ϕ) (5) I=
E Z SC
α = sudut antara permulaan gangguan dan tegangan nol (zero voltage). Arus i dc adalah komponen tidak periodic (aperiodic) yang dikatakan sebagai arus dc (direct current) yang tergantung pada nilai R/L, sebagai berikut:
idc = -I 2 sin(α-ϕ) e
−
Rt L
(6)
Penjumlahan gelombang kedua arus (lihat persamaan (4), jika digambarkan dalam bentuk gelombang dapat dilihat pada gambar 2 Kurva arus gangguan
iac=Isin(ω t+α-ϕ)
I
α
idc=-Isin( α-ϕ)e-R/ L t
− ϕ ω
i = iac + idc
Gambar 2: Grafik arus gangguan hubung singkat jauh dari generator
Dimana: ϕ = Sudut fase ( arus berpengaruh pada tegangan) t = Waktu Saat terjadi gangguan hubung singkat, tegangan dapat di nyatakan sebagai berikut: u = E 2 .sin(ωt+ϕ) (7) Dan pengembangan arus gangguan hubung singkat seperti pada persamaan (4), (II.20). yang telah diekspresikan, diperoleh: 3
PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK
E 2
i = ϕ) e
Z −
R L
t
[ sin(ωt + α - ϕ) – sin (α-
]
(8)
Dengan dua komponen, dimana arus bolak-balik tergantung pada nilai ϕ yang berpengaruh pada tegangan dan komponen kedua sebagai aperiodik yang waktu (t) menuju nol (zero), hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Bila : α = ϕ = π/2 dikatakan • simetris (seimbang), Arus gangguannya, sebagai berikut:
−
R
t
adalah faktor yang ditentukan oleh nilai R/L atau R/X. Gelombang sinusoidal yang terjadi mempunyai nilai tidak sama(II.24) pada puncak gelombangnya, hal ini yang dikatakan sebagai gangguan yang tidak simetris . Arus puncak Ip dari gangguan tidak simetris, diperhitungkan untuk menentukan making capacity dari pengaman (circuit breaker ) dan electrodynamic forces dari instalasi listrik di Gardu Induk atau di Pusat Listrik. e
L
Kurva tegangan & arus gangguan tidak simetris
I=
E 2 Z
I,V
sin (ωt)
(9)
I,V
Kurva tegangan & arus gangguan si
(II.25)
Ip
i = i ac + idc
u
idc
u
i = ia
Gambar 4 : Grafik tidak simetris untuk arus & tegangan saat gangguan hubung singkat.
i = iac + idc
Gambar 3: Grafik simetris untuk arus & tegangan saat gangguan hubung singkat
Dimana gelombang sinusoidalnya mempunyai nilai sama dengan puncak gelombang = E/Z. Hal inilah yang dikatakan sebagai gangguan simetris . Dari persamaan 7 & 8 dapat digambar gelombang arusnya seperti terlihat pada gambar 3. Bila α = 0, dikatakan tidak • simetris (asymmetrical), seperti terlihat pada gambar 4. Arus gangguannya, sebagai berikut: i=
E 2 Z
[ sin(ωt - ϕ)+ sin ϕ e
−
R L
t
] (10)
Arus puncak Ip, mungkin diperhitungkan dari rms arus hubung singkat simetris Ia , sebagai berikut: IP = k.
2 .Ia
Dimana: IP = Arus maksimum (puncak pertama), saat terjadi gangguan hubung singkat. Ia = Arus hubung singkat simetris. k = faktor koefisien, untuk menentukan besarnya puncak arus gangguan hubung singkat(1) −3
R
= 1,02 + 0,98 e L Atau Koefisien k dapat diperoleh dari (II.26) gambar 5 dibawah ini.
Dimana nilai puncak I p tergantung dari nilai R/X = cos ϕ. Dan Faktor WAHYUDI SN
4
PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK
terjadi gangguan hubung singkat di jaringan distribusi, dalam perhitungan hubung singkat yang dominan adalah reaktansi transient dari generator sebagai impedansi hubung singkat. PLTD
Sistem distribusi Gangguan hubung singkat
Gambar 7: Pasokan daya dari PLTD
Gambar 5: variasi koefisien k tergantung nilai R/X atau R/L (1)
Kurva tegangan & arus gangguan simetris
Kejadian yang sering dijumpai pada sistem distribusi, dimana beberapa Pusat listrik yang di interkoneksi (lihat gambar 6) dimana Pusat lisrik memasok Gardu Induk dengan tegangan 150kV/20 kV atau 70kV/20 kV, bila terjadi gangguan
a)
t (detik)
b)
a)
c)
transmisi KIT 1
KIT 2
transmisi transmisi
b)
G.I A KIT 3
d)
transmisi
c) Gambar 6: Pusat listrik di interkoneksi Trafo unit
hubung singkat di jaringan distribusi yang lokasinya jauh dari Pusat listrik, dalam perhitungan arus hubung singkat, reaktansi dari Generator, transformator tenaga dan transmisi yang diperhitungkan sebagai reaktansi hubung singkat (XSC). b.
Gangguan hubung singkat dekat dengan generator.
Pada sistem distribusi, yang dipasok langsung dari generator melalui Pusat Listrik Tenaga Diesel atau dari Pusat Listrik yang langsung memasok beban melalui transformator tenaga seperti terlihat pada gambar 7. Jika WAHYUDI SN
d)
e) t (detik)
Gambar 8: tiga komponen yang terjadi saat terjadi arus gangguan hubung singkat dan total ketiga arus gangguan e)
Maka terdapat beberapa reaktansi yang berkembang yaitu(1): Reaktansi Subtransient (Xd”) waktu = 10 – 20 Millidetik Reaktansi Transient (Xd’) waktu kurang dari 500 Millidetik. Steady-state (Xd) atau reaktansi sinkron.
5
PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK
Penjelasan tentang gelombang sinusoidal dari arus gangguan hubung singkat, dimana lokasi gangguan dekat dengan generator dapat dilihat pada gambar 8 dibawah(1): Gambar: 8. a) Reaktansi Subtransient = Xd” b) Reaktansi Transient = X d’ c) Reaktansi sinkron = Xd d) Komponen tidak periodik (aperiodic) e)Total arus gangguan hubung singkat dan Kontribusi dari tiap komponen. Catatan:
Penurunan reaktansi generator secara cepat dari komponen tidak periodik (aperiodic), dapat menyebabkan kejenuhan (saturation) dari rangkaian maknetik generator yang menjadi penyebab timbulnya beberapa periode sebelum arus mencapai titik nol. Masing-masing reaktansi, memperoleh nilai tertinggi dari langkahnya seperti terlihat pada gambar 8a, 8b, 8c. Tetapi setiap perubahan langkah ada penurunan seperti reaktansi transient berkurang dari reaktansi subtransient, selanjutnya berkurang ke reaktansi synchronous. Seperti terlihat pada gambar II.20e, dimana efek tersebut adalah: • Tiga komponent arus bolak balik (subtransient, transient dan steady state). Komponen aperiodic dihasilkan • dari arus yang terdapat pada rangkaian listrik (induktif). Dari hal tersebut diatas, dapat diekspresikan dalam bentuk matematik sebagai berikut:
WAHYUDI SN
1 1 −t/T" 1 1 −t/T' 1 e d + − e d + cos t i(t)= E 2 − " ' X' X Xd Xd Xd d d ω
−
E 2 " Xd
−t/Ta
e
Dimana: E = Tegangan rms fase-netral pada terminal generator. X”d = Reaktansi subtransient X’ d = Reaktansi transient Xd = Reaktansi synchronous (steady state) T”d = Waktu konstant subtransient T’ d = Waktu konstant transient T a = Waktu konstan aperiodic. Secara praktis, bahwa arus gangguan hubung singkat yang dekat generator, dapat dijelaskan, bahwa: Pada instalasi listrik, dengan • kecepatan peralatan breaking, awal arus gangguan hubung singkat simetris tercatat sebagai I” k dan puncak maksimum amplitude subtransient Ip. Yang disebut subtransient, dimana nilai subtransient dari arus gangguan hubung singkat ini, dipergunakan untuk menentukan besarnya breaking capacity dari peralatan proteksi dan electrodynamic force dari peralatan listrik. Pada sistem tegangan tinggi • atau tegangan menengah, saat terjadi gangguan hubung singkat subtransient (tidak simetris), circuit breaker belum membuka, karena waktu dari subtransient 10-20 milidetik dan membukanya circuit breaker dimulai pada waktu
6
PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK
X T = Reaktansi trafo tenaga yang tercantum di name plate IN = Arus nominal trafo tenaga a)
Maka diperoleh: Imaks =
b)
Gambar 10: Arus hubung singkat dekat dengan generator.
40 milidetik (instantenous). Jadi saat terjadi gangguan hubung singkat ada waktu tunda, untuk membukanya circuit breaker dan gelombang gangguan hubung singkat menurun dari subtransient ke transient yang diperhitungkan sebagai waktu t = tmin seperti terlihat pada gambar 10 sebelum steady state), circuit breaker mulai membuka. Nilai Transient dari gangguan hubung singkat dipergunakan untuk relai proteksi (perhitungan arus gangguan hubung singkat) . 3. KASUS ARUS SUMBER
KELUAR
DARI
Kasus ini diambil dari transformator tenaga dengan kapasitas 60 MVA, 150 kV, X T = 12,8% Perhitungan arus gangguan yang keluar dari trafo yang terbesar dapat diperoleh dari persamaan 11, sebagai berikut Imaks =
1 X T
I N trafo amp
(11)
Dimana: Imaks = Arus maksimum dari trafo tenaga. WAHYUDI SN
1
60.000
12,8%
3 x 20
= 13,531 KA Bila dihitung nilai MVA nya adalah MVA = √3 x Imaks x V = √3 x 13,531 x 20 = 468,75 MVA Arus sebesar 13,531 KA adalah arus pertama kali keluar dari trafo, sebagai arus subtransient dari trafo yang dapat menimbulkan stress pada belitan trafo seperti terlihat pada gambar 11 dibawah ini Fy1
Inti besi
F1
Fx1 Fx2
F2
Fy2
Gambar 11: stress trafo
Saat terjadi gangguan hubung singkat di jaringan 20 kV: 1. Terdapat tenaga mekanik pada belitan trafo 2. Gaya mekanik yang timbul adalah FX dan FY 3. Kedua gaya ini akan membentuk gaya F1 dan F2 dimana F1 = - F2. Bila di jaringan 20 kV sering mengalami gangguan, maka jepitan dari inti besi trafo akan kendor. Karena kendor nya inti besi, kalau trafo dibebani hampir maksimum trafo tersebut terdengar mendengung, penyebabnya inti besi bergetar. Karena adanya frekwensi listrik menimbulkan frekwensi mekanik.
7
PENGARUH GANGGUAN HUBUN SINGKAT PADA PERALATAN LISTRIK
Juga arus gangguan ini melalui cubicle (pemutus) incoming atau outgoing feeder dan current transformer. Arus inilah, sebagai dasar untuk menentukan besaran arus puncak atau arus dynamic yang tercantum pada name plate cubicle. Begitu juga untuk current transformer yang terpasang di outgoing feeder perlu diperhatikan arus dynamic nya yang tercantum pada name plate CT. Bila daya transformator tenaga diperbesar, tetapi cubicle PMT dan CT di ganti kemungkinan besar PMT dapat meledak dan CT menjadi jenuh. Bagaimana kalau sumbernya dari PLTD seperti terlihat pada 7. dimisalkan daya generator 7 MVA, X d” = 17 % tegangan 6,3 kV. Dengan memperunakan persamaan (11), diperoleh: Imaks =
1 17%
7000 3.6,3
amp
= 3773, 53 amp dilihat dari sisi 20 kV Imaks = (6,3/20) x 3777,53) amp = 1188,66 amp Bila PLTD diparalel dengan PLTD atau Pusat listrik yang lain, arus maksimum ini akan bertambah besar sesuai arus keluaran dari generator. Misal: Karena kekurangan pasokan PLN menambah PLTD sebesar 3 x 7 MVA dengan X d” = 17 %, maka arus pertama yang keluar di feeder outgoing saat terjadi gangguan, sebesar: Imaks = 4 x 1188,66 amp = 4754,65 amp. Arus ini adalah arus terbesar pertama kali keluar dari generator, tetapi PMT belum trip. Saat ini PLN banyak membangun Pusat-Pusat Listrik tersebar di Indonesia, langsung diparalel dengan
WAHYUDI SN
sistem yang ada baik mempergunakan tegangan 150 kV atau 20 kV. Hal ini dapat menimbulkan besarnya arus gangguan yang terbaca oleh current transformer (CT). Dapat mengakibatkan CT menjadi jenuh, sehingga Relai tidak trip. yang trip pada incoming yang dapat mengakibatkan blackout. 4. KESIMPULAN
1. Perlu koordinasi proteksi antara incoming dan outgoing feeder. 2. Bila ada penggantian trafo dengan daya yang lebih besar, khususnya di gardu induk dan penambahan Pusat listrik di sistem 20 kV. Harus ada penelitian terlebih dahulu untuk arus peak dan current transformer yang terpasang. REFRENSI:
Benolt de Metz-Nobalt; Frederic Dumas; Christophe Poulain; Calculation of short-circuit current no 158; Schneider Electric. Tahun 2005.
8
