BAB III. PROTEKSI GANGGUAN TANAH PADA STATOR GENERATOR 17
III.3 Gangguan Tanah Pada Stator
Gangguan hubung singkat ke tanah merupakan gangguan yang umum terjadi pada suatu generator. Gangguan ini dapat disebabkan oleh penuaan isolasi pada belitan karena pengaruh lingkungan seperti kelembapan, minyak yang bercampur dengan debu yang terdapat pada permukaan luar slot stator. Hal ini dapat menyebabkan peluahan pada bagian ujung belitan sehingga terhubung ke tanah.
Jenis gangguan yang mungkin terjadi adalah : a. Hubung singkat fasa ke tanah
b. Hubung singkat fasa ke fasa c. Hubung singkat inter turn
Arus gangguan hubung singkat fasa ke tanah diminimalisasi oleh tahanan pembumian generator tersebut. Di antara ketiga jenis gangguan di atas, gangguan yang mempunyai kemungkinan muncul terbesar adalah gangguan fasa ke tanah. Isolasi diantara dua fasa minimal dua kali lebih tebal daripada isolasi antara belitan ke inti besi, sehingga kemungkinan terjadinya hubung singkat antar fasa sangat kecil. Gangguan inter
turn muncul karena adanya arus surja. Namun gelombang surja ini telah dipotong di lightning arrester sebelum mencapai generator.
Generator harus diproteksi dari gangguan hubung tanah stator karena dua hal yaitu : 1. Sebagai sebuah gangguan tentunya fenomena tersebut merupakan kondisi tidak
normal dalam kinerja mesin yang menyebabkan hal – hal yang tidak diinginkan dalam besaran tegangan, arus, osilasi, dan kerusakan.
2. Gangguan tanah yang tidak terdeteksi dan tidak ditangani dengan baik dapat berkembang menjadi gangguan fasa ke fasa atau menjadi gangguan antar lilitan. Gangguan fasa ke fasa terjadi jika gangguan fasa ke tanah yang lain terjadi. Dan gangguan ini akan menimbulkan arus hubung singkat yang besar dapat merusak generator.
Terdapat dua kemungkinan pada generator apabila terjadi gangguan pada stator, yaitu :
1. Terjadi gangguan satu fasa ke tanah pada stator
2. Setelah hubung singkat ke tanah yang pertama terjadi, kemudian muncul hubung singkat kedua pada fasa yang sama atau berbeda dan akhirnya menimbulkan hubung singkat antara dua titik pada belitan stator.
Tegangan lebih akibat ganguan
Pada sistem yang tidak dibumikan, arus gangguan tanah sangat kecil. Arus ini hanya mengalir melalui kapasitansi sistem ke tanah sehingga tidak akan menyebabkan kerusakan. Namun, sistem yang tidak dibumikan tidak dapat diterapkan karena kapasitansi tersebut dapat menimbulkan kerusakan akibat adanya tegangan lebih.
Syarat utama dari suatu sistem pembumian adalah untuk membatasi tegangan lebih yang muncul pada saat gangguan agar tidak merusak peralatan. Tegangan lebih yang terjadi dapat berupa keadaan steady state dan transient. Tegangan lebih steady state disebabkan oleh gangguan hubung singkat ke tanah. Sedangkan tegangan lebih transient disebabkan oleh arcing ground. Besar tegangan lebih yang terjadi tergantung dari impedansi ke tanah. Jika netral generator dibumikan secara langsung, impedansi yang rendah akan mengakibatkan arus gangguan yang sangat besar. Namun sistem ini dapat mencegah terjadinya tegangan lebih yang terlalu besar. Impedansi tambahan pada sistem pembumian akan membatasi arus gangguan, namun juga harus mempertimbangkan tegangan lebih yang mungkin muncul sehingga tidak membahayakan peralatan.
Tegangan lebih steady state akan muncul pada fasa yang tidak terganggu saat terjadi gangguan tanah. Tegangan pada fasa yang sehat merupakan gabungan dari tegangan fasa dan pergeseran titik netral.
Gambar 3.5 Tegangan pada saat terjadi gangguan
Gambar 3.5(a) menunjukkan tegangan fasa ke tanah pada saat kondisi normal. Pada sistem yang tidak dibumikan dan dibumikan melalui impedansi tinggi, pergeseran titik netral akibat gangguan hampir sama dengan tegangan fasa yang terganggu seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5(b). Dan Gambar 3.5(c) menunjukkan tegangan lebih yang
rendah dan hanya sedikit pergeseran pada titik netral. Hal ini terjadi pada sistem yang dibumikan melalui impedansi rendah.
Kerusakan inti akibat hubung singkat ke tanah
Hubung singkat ke tanah pada belitan stator merupakan salah satu perhatian utama pada proteksi generator. Gangguan tanah pada stator mengakibatkan perlunya pergantian kumparan yang rusak, dan hal ini membutuhkan biaya yang besar. Jika terjadi busur api pada titik gangguan maka akan mengakibatkan kebakaran yang serius pada laminasi inti stator.
Rusaknya isolasi akan mengakibatkan hubung singkat antar laminasi dan arus yang terjadi akan mengakibatkan pemanasan lokal pada titik gangguan selama operasi normal. Dan akan diikuti oleh kerusakan lainnya, sehingga akan berakhir dengan kegagalan seluruh isolasi stator. Biaya perbaikan akan semakin mahal dan membutuhkan waktu yang semakin lama. Gangguan ini terjadi akibat kegagalan isolasi akibat penuaan dan gangguan mekanis seperti getaran.
Gangguan tanah yang terjadi terdiri dari dua jenis yaitu :
1. Arus gangguan mengalir dari kumparan yang terganggu ke inti melalui kontak langsung atau melalui isolasi yang mengalami kerusakan.
2. Arus gangguan mengalir melalui busur gangguan. III.3.1 Gangguan Satu Fasa ke Tanah
Untuk menjelaskan besar kerusakan yang timbul pada generator saat terjadi sebuah hubung singkat ke tanah pada stator, kita memisalkan sebuah generator yang netralnya dibumikan melalui sebuah resitor dan generator ini terhubung ke sebuah bus saluran
melalui sebuah Pemutus Tenaga (PMT). Jika hubung singkat ke tanah muncul pada terminal generator, maka akan terdapat dua jenis arus gangguan yaitu arus yang mengalir dari luar menuju kedalam generator dan arus yang berasal dari generator itu sendiri. Arus gangguan total merupakan penjumlahan dari kedua arus ini, dan besarnya kerusakan yang timbul di dalam generator sebanding dengan energi yang timbul pada titik busur gangguan, yaitu sebesar :
Damage = α . Joule (3.11)
dimana :
Tf : waktu selama arus gangguan muncul
Kerusakan akibat arus yang mengalir dari luar generator
Gangguan pada stator dirasakan oleh sistem proteksi stator tanpa adanya tundaan waktu, atau dalam satu siklus tundaaan. Misalkan PMT pada generator mempunyai waktu kerja selama 5 siklus. Sehingga arus muncul pada stator selama 6 siklus ( pada sistem 60 Hz adalah kurang lebih selama 0,1 detik). Jadi kita dapat menentukan kerusakan yang timbul pada generator akibat arus yang berasal dari luar dengan menggunakan persamaan (3.11).
Kerusakan akibat arus yang mengalir dari dalam generator
Ketika PMT pada generator membuka / trip, arus gangguan yang mengalir pada generator tidak dapat dihilangkan karena masih terdapatnya medan penguat. Dan arus penguatan (eksitasi) ini akan berkurang setelah τdetik. τadalah konstanta waktu hubung singkat satu fasa ketanah dan berbeda besarnya pada tiap generator, namun mempunyai nilai antara 0,8 – 1,1 s.
Sehingga, lamanya waktu yang diperlukan untuk menghilangkan arus eksitasi di dalam generator dapat dituliskan sebagai persamaan berikut :
Damage = α . ∫ [ I. ]k dt Joule (3.12)
Pada keadaan ini, waktu integrasinya akan jauh lebih lama, sehingga kerusakan (energi) yang timbul pada generator akan jauh lebih besar. Hal ini disebabkan arus gangguan akan terus mengalir sampai medan penguat generator hilang.
Dari kedua persamaan di atas dapat dilihat bahwa sebagian besar kerusakan pada generator disebabkan oleh arus yang berasal dari dalam generator itu sendiri dan satu – satunya cara untuk menghindari kerusakan yang serius adalah dengan mengurangi besarnya arus gangguan tanah yang timbul. Salah satu cara yang sering digunakan untuk mengurangi arus gangguan adalah dengan melakukan pembumian pada titik netral generator.
III.3.2 Gangguan fasa ke fasa
Apabila generator dengan sistem pembumian tahanan tinggi (melalui resistor atau transformator distribusi) mengalami gangguan satu fasa ke tanah. Arus gangguan yang mengalir tidak cukup besar untuk merusak inti besi, karena arus gangguan yang mengalir akan dibatasi oleh resistor pembumian. Namun, terdapat kemungkinan munculnya gangguan fasa ke fasa,hal ini terjadi jika gangguan fasa ke tanah lainnya muncul, dan ini menimbulkan arus gangguan yang sangat besar. Gangguan fasa – fasa juga akan terjadi jika gangguan fasa ke tanah yang mula – mula muncul dekat dengan netral generator dan diikuti oleh gangguan fasa ke tanah lainnya yang muncul pada salah satu fasa generator tersebut.
Arus akibat gangguan ini cukup besar untuk menimbulkan kerusakan serius pada generator. Arus ini tidak dapat dihilangkan meskipun generator telah diputus dari sistem, hal ini terjadi karena masih adanya sisa arus medan (eksitasi). Generator harus dilindungi dari kemungkinan seperti ini karena akibatnya sangat berbahaya bagi generator. Cara terbaik untuk mencegah hal ini adalah ketika hubung singkat fasa ke tanah yang pertama muncul, maka proteksi stator harus mampu mendeteksi dan mengirimkan sinyal ke PMT agar generator segera dimatikan atau diisolir dari sistem, sebelum hubung singkat lainnya muncul.