14
BAB III
DASAR TEORI
3.1 GENERATOR
Di PT Pupuk Iskandar Muda (PIM 2), primover yang dipergunakan untuk membangkitkan tenaga listrik adalah sebagai berikut : Gas turbin untuk generator utama, dan diesel engine untuk emergency generator. Generator arus bolak – balik atau alternator merupakan sarana yang penting dimanfaatkan untuk menghasilkan tenaga listrik secara besar–besaran. Generator arus bolak–balik berbeda-beda dalam bentuk dan ukurannya, tergantung dari jumlah tenaga listrik yang dihasilkan. Sebagai contoh pada PIM 2 sanggup membangkitkan tenaga listrik sebesar 20 MW pada tegangan kerja 11 kV dengan putaran 3000 rpm.
Di PT. Pupuk Iskandar Muda 2 mempunyai dua unit pembangkit yaitu : 1. Gas Turbin Generator dengan kapasitas 20 MW sebagai pembangkit utama
yang melayani kebutuhan listrik di pabrik, kantor dan perumahan.
2. Emergency Diesel Engine Generator dengan kapasitas 760 kW sebagai pembangkit emergency/cadangan.
Kedua pembangkit ini dikoordinasikan dengan baik agar kontinuitas pensuplaian daya dapat terjamin. Dalam keadaan normal tenaga listrik disuplai dari generator utama untuk seluruh kebutuhan pabrik, kantor dan perumahan. Apabila terjadi gangguan pada pembangkit tersebut mati (trip), maka secara keseluruhan kebutuhan energi listrik tersebut diatas akan berhenti sementara. Untuk menanggulangi hal tersebut maka pembangkit Diesel Engine Generator Emergency yang berkapasitas 760 kW akan start secara otomatis dengan delay waktu kurang lebih 10 detik untuk mensuplai daya ke beban–beban kritikal seperti pompa, pompa pelumas, lampu, dan lain–lain.
15
Gambar 3.1 Konstruksi Generator
3.1.1 Pengertian Generator
Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan aliran air didalamnya. Sumber energi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap, air yang jatuh melakui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimanfaatkan, atau apapun sumber energi mekanik yang lain.
3.1.2 Prinsip Kerja Generator
Pada dasarnya generator bekerja berdasarkan prinsip induksi magnetik, dimana bila sepotong kawat digerakkan pada medan magnet dengan arah
16
memotong garis–garis daya magnet (fluks), maka tegangan akan dibangkitkan didalam konduktor tersebut. Berdasarkan hukum Faraday dapat dirumuskan : E = B .I .V sin ………( 3.1 ) Dimana:
E = Tengangan sesaat yang dibangkitkan dalam kawat B = Kecepatan fluks
I = Panjang konduktor
V = Kecepatan gerak konduktor
= Sudut antara kawat dengan fluks magnet
Jadi dapat dikatakan bahwa untuk membangkitkan tenaga listrik maka dibutuhkan:
- Arus penguat medan untuk menghasilkan fluks yang magnetic - Kawat penghantar (konduktor) dimana tegangan dibangkitkan - putaran
Pada generator AC belitan medan ditempatkan dalam slot–slot pada rotor. belitan ini dicatu dengan arus searah melalui slip ring dan sikat–sikat. Penguat medan yang diperoleh dari sumber DC disebut eksiter. Eksiter dapat berupa rangkaian penyearah elektronik ataupun sebuah generator DC yang kopling langsung dengan poros alternator.
Pada generator AC yang besar biasanya belitan jangkar ditempatkan pada slot–slot pada stator. Pada saat medan berputar garis–garis fluks akan memotong kawat–kawat penghantar pada stator yang disusun sedemikian rupa sehingga diinduksikan tenaga sinusoidal. Dalam suatu generator AC (alternator) hubungan
17
antara kecepatan putaran rotor (rpm), frekwensi (Hz) dan jumlah kutub (p) secara matematis dapat ditulis :
………( 3.2 ) Dimana : = Putaran sinkron f = Frekuensi p = jumlah kutub 3.1.3 Operasi Generator
Dapat diketahui bahwa ada hubungan antara besar output dengan frekwensi maupun fluksi yang dihasilkan oleh rotor. Seperti kita ketahui bahwa kemagnetan dapat menimbulkan kelistrikan.
E = C . n . ………( 3.3 )
Dimana :
C = Konstanta
n = Putaran generator
= Fluks yang memotong kumparan
Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa :
Tegangan generator akan naik bila putaran (n) turbine naik, fluks ( ) yang dihasilkan rotor tergantung dari besarnya arus penguat (If) hingga yang mengalir melalui slip ring dapat dianggap besarnya fluksi sebanding dengan arus penguat (If) sehingga persamaan diatas dapat dirumuskan menjadi :
18 Dimana :
C = konstanta
n = Putaran generator
If = Arus penguat
Pada putaran konstanta 3000 rpm, tegangan generator menjadi sebanding dengan arus penguatnya. Dari rumusan diatas dapat kita lihat bahwa apabila putaran kita naikkan, sedangkan fluksi tetap, maka tegangan yang kita dapatkan juga akan naik. Sementara itu, fluksi yang dihasilkan tergantung pada berapa besarnya arus penguat. Pada keadaan putaran yang konstan, maka bila arus medan kita naikkan, maka tegangan yang kita dapat akan naik.
3.1.4 Sistem Starter Generator
Untuk menghidupkan mesin diperlukan tenaga dari luar yang dapat memutarkan poros engkol sampai terjadi pembakaran dan mesin bekerja. Tenaga luar inilah yang harus dihasilkan motor stater.
3.2 GAS TURBINE GENERATOR 20 MW
Generator utama 20 MW yang digerakkan oleh turbin gas sebagai pembangkit tenaga listrik, dimana tenaga listrik yang dihasilkan tersebut digunakan sebagai salah satu komponen utama bagi proses produksi, selain itu juga digunakan sebagai sebagai fasilitas komplek perumahan PT. PIM.
Adapun data–data dari generator utama 20 MW yang diketahui :
- Kapasitas : 20 MW
- Arus : 11 kV
- Phasa : 3 Phasa
19
- Frekuensi : 50 Hz
- Putaran : 3000 rpm
- Faktor kerja : 0.8 Lagging
3.3 DIESEL ENGINE GENERATOR EMERGENCY 760 kW
Diesel Engine Generator yang lebih dikenal dengan nama DEG 760 kW adalah pembangkit tenaga listrik yang digunakan dalam keadaan darurat. DEG 760 kW ini digerakkan oleh mesin diesel sebagai pembangkit tenaga listrik untuk mensuplai tenaga listrik pada peralatan yang kritikal apabila pembangkit utama trip.
Data – data DEG 760 kW adalah :
- Kapasitas : 760 kW
- Arus : 480 volt
- Phasa : 3 Phasa
- Hubungan : Bintang ke tanah
- Frekuensi : 50 Hz
- Putaran : 1500 rpm
- Faktor kerja : 0.8 Lagging
3.4 UNINTERUPPTED POWER SUPPLY ( UPS )
Uninteruppted Power Supply (UPS) adalah peralatan supply daya tak terputus yang berfungsi untuk mensupply tenaga listrik ke peralatan instrumentasi pagging dan file alarm. UPS dilengkapi dengan sumber tenaga listrik dari batterai. Sistem tegangan kerja UPS adalah 40 kVA. Jika terjadi gangguan untuk interupsi daya listrik sesaat sampai beberapa menit, daya listrik yang dipotong oleh batterai yang dihubungkan dengan saklar hubung batterai yang berfungsi sebagai penghubung atau pelepas daya listrik searah batterai. Beroperasinya SHB didasarkan kerja modul transistor detector tenaga kurang (Under Voltage Detector) yang disetting 85 % - 90 % dari tegangan normal. Dengan adanya saklar hubung batterai maka daya listrik beban tidak akan terputus.
20
3.4.1 Prinsip Kerja UPS
Prinsip Kerja UPS adalah :
1. Pada kondisi normal, rectifier mengubah input AC menjadi DC dan transistor inverter mengubah DC menjadi AC. Batterai Discharge oleh foating change sistem. Kedua inverter ini diparalel dengan menanggung beban setimbang.
2. Pada kondisi gangguan pada daya input AC batterai mensupply daya DC ke inverter. Dengan demikian daya DC yang dihasilkan tetap stabil tanpa pemutus beban. Lama gangguan maksimum pada input AC yang dapat ditelorir adalah 30 menit. Bila daya input AC sudah normal, sistem secara otomatis kembali ke posisi normal.
3. Bila suatu inverter terganggu, maka inverter lain akan mensupply daya secara keseluruhan beban tanpa terputus, yang disupplai secara otomatis oleh swich thysistor. Kemudian inverter tersebut disinkronisasikan dengan back–up transformator line. Pengambilan mode operasi normal dilakukan secara manual atau otomatis, perpindahan ke sisi inverter dan back-up trafo juga dilakukan secara manual.
3.5 HEAVY FAULT TROUBLE
Heavy Fault merupakan suatu gangguan yang serius yang menyebabkan kerusakan pada diesel engine dan generator, dalam keadaan ini kedua engine akan stop/trip dan akan memberikan indikasi dan alarm.
Dibawah ini diuraikan Klasifikasi penyebab gangguan Heavy Fault pada Diesel Engine Generator.
21 1. OVER SPEED
Dimana Putaran atau Speed pada diesel generator ini dideteksi oleh Actuator generator. Alat ini dipasang pada ujung shaft Generator, bila speed mencapai 120% pada rate RPM, maka alat proteksi “over speed” akan memberikan komando untuk mentripkan engine, MCB ( Miniatur Circuit Breaker ) , alarm dan lampu indikator akan menyala.
2. OIL PRESSURE
Selama operasi tekanan lube oil dideteksi oleh engine lube oil pressure switch. Bila tekanan lube oil turun (drops) dibawah 1,2 Kg/ , maka alat proteksi “pressure switch” akan memberikan komando untuk mentripkan engine, MCB, alarm dan lampu indikator akan menyala.
3. WATER LEVEL RADIATOR
Selama operasi, temperature air pendingin Diesel Engine Generator dideteksi oleh cooling water temperature switch. Bila temperature air mesin naik diatas 95oC (temperature air pendingin jacket pada silinder mesin).
Alat proteksi “Cooling Water Temperature High ” akan memberikan komando untuk mentripkan engine, MCB, alaram dan lampu indikator akan menyala.
4. OVER VOLTAGE
Bila tegangan terminal diesel generator naik maka atau melebihi 118% dari tegangan rated (480 V) maka alat proteksi over voltage akan bekerja.
Alat proteksi “Over Voltage” akan memberikan komando untuk mentripkan engine, MCB, alarm dan lampu indikator akan menyala.
22 5. UNDER VOLTAGE
Bila tegangan terminal diesel generator turun dibawah 74,5 % dari tegangan rated (480 V), maka alat proteksi under voltage akan bekerja.
Alat proteksi “Under Voltage” akan memberikan komando untuk mentripkan engine, MCB, alarm dan lampu indikator akan menyala.
6. EART LEAKAGE
Selama generator dalam keadaan running (normal operasi), bila gulungan (Windings) pada generator ada yang ground, maka alat proteksi Grounding Over Current akan bekerja.
Alat proteksi “Grounding Over Current” akan memberikan komando untuk mentripkan engine, MCB, alarm dan lampu indikator akan menyala.
3.5.1 Perangkat Sistem Proteksi
Yang dimaksud dengan perangkat system proteksi adalah : 1. Relay
2. Circuit Breaker/Disconecting Switch–PMT/PMB (Pemutus
Tenaga/Pemutus Beban)
3. Trafo tegangan (PT/Potesial Transformer) dan trafo arus (CT/Current Transformer)
4. Batteray 5. Pengawatan
3.5.2 Fuse
Fuse adalah peralatan yang digunakan sebagai pengaman terhadap hubungan singkat, fuse juga dinamakan dengan pengaman lebur karena memutuskan rangkaian tersebut dengan cara memutuskan elemen lebur, fuse disimbolkan dengan :
23
Gambar 3.2 Simbol Fuse
Hal – hal yang harus diperhatikan atau dipenuhi untuk sebuah pengamanan antara lain:
a. Dapat mengantar arus beban tanpa menimbulkan panas yang berlebihan dalam pengamanan.
b. Pada waktu kerja, memutuskan rangkaian listrik tidak menimbulkan panas berlebihan atau hal – hal lain yang berbahaya.
c. Dapat menimbulkan hubungan singkat dengan seketika.
d. Karakteristik arus hubung terhadap fungsi waktu harus disesuaikan atau dikoordinasikan dengan peralatan lain, misalnya relay beban lebih maupun circuit breaker.
3.5.3 Lampu Indikator
Lampu indikator ini digunakan untuk memberitahukan kondisi motor dengan indikasi warna pada lampu sebagai berikut :
- Lampu warna hijau menyala mengindikasikan bahwa motor dalam keadaan stop/ berhenti. Simbolnya adalah :
- Lampu warna merah menyala mengindikasikan bahwa motor dalam keadaan operasi/running, simbolnya adalah :
24
- Lampu warna orange yang menyala mengindikasikan motor dalam keadaan over load, simbolnya adalah :
3.5.4 Selector Switch
Selector switch saklar ini dapat digunakan untuk memilih switch-switch mana yang digunakan dari suatu pengoperasian. Pada umumnya switch ini ditempatkan pada lokasi yang paling awal dari sebuah rangkaian control dan banyak yang digunakan dua posisi pengoperasian yaitu hand, auto atau stop.
Gambar 3.3 Bentuk Fisik Selector Switch
Dengan selector switch, kondisi peralatan dapat langsung diketahui dari penunjukan tangkai selector switch, dengan selector switch, rangkaian ON-OFF lebih sederhana, karena selector switch tidak seperti tombol tekan yang hanya kontak sementara.
25
Pada sistem pengontrolan ini selektor switch yang digunakan dengan 2 posisi, yaitu:
1. Direct adalah dimana sistem start motornya di MCC (Motor Control Center).
2. Remote adalah dimana sistem start motornya di lapangan atau disebut CSS (Control Switch Station).
3.5.5 MCCB
MCCB harus benar-benar sesuai dengan Standard IEC atau B.S 4752: Bagian 1 dan kotaknya harus terbuat dari bahan moulded berinsulasi yang kuat secara mekanis dan tidak mudah tergores. Mekanisme tripnya harus dikalibrasi berdasarkan Standar IEC atau British Standard di pabrik tersebut dan breaker tersebut harus disegel untuk mencegah gesekan/kerusakan sebelum dipakai.
MCCB harus dapat mentrip secara otomatis maupun manual seperti yang dipersyaratkan. Jenis alat otomatisnya masing-masing harus berhubungan dengan suatu unit trip untuk memberikan perlindungan terhadap beban lebih (overload) dan hubung singkat. Unit trip ini untuk tiap pole harus memberi invers time delay dalam kondisi beban lebih dan trip magnetik seketika (instantaneous magnetic tripping) untuk perlindungan terhadap peristiwa hubung singkat.
MCCB harus didisain sedemikian rupa sehingga ketika pada kondisi trip, circuit breaker tidak dapat dihidupkan lagi jika breaker tersebut belum direset dengan memindahkan saklar ke posisi OFF dahulu. Kondisi pengoperasian (seperti ON, OFF atau TRIP) circuit breaker tersebut harus terlihat dengan jelas.
MCCB harus berupa Single Pole (SP), Double Pole (DP) atau Triple Pole (TP) atau four pole (4P) seperti ditentukan dalam gambar spesifikasi. Kontruksi dan pengoperasian circuit breaker harus sedemikian rupa sehingga jika fault muncul, semua pole-pole circuit breaker harus beroperasi serentak untuk mengisolasi dan menghilangkan fault tersebut secara efisien dan aman tanpa resiko terhadap operator atau instalasi tersebut.
26
Mekanisme circuit breaker tersebut harus diseal rapat-rapat di pabrik dan semua bagian metalik yang berhubungan dengan mekanisme kerja tersebut harus dilindungi terhadap karat dan korosi. Kapasitas short-circuit breaking MCCB tersebut tidak boleh kurang dari arus hubung singkat maksimum yang terjadi dimana MCCB tersebut terpasang.
Sub-kontraktor harus bertanggung jawab atas pemilihan untuk perlindungan jenis-jenis sirkuit yang dipakai. Sub-kontraktor juga harus bertanggung jawab atas jaminan bahwa fuse-fuse yang dipakai untuk dihubungkan dengan MCCB harus terkoordinasi dengan circuit breaker untuk memberikan perlindungan dan pemisahan yang memadai terhadap sistem listrik.
Gambar 3.5 bentuk fisik MCCB
27
3.6 KORDINASI KERJA DARI GENERATOR UTAMA KE GENERATOR EMERGENCY.
Dalam keadaan normal, tenaga listrik disuplai dari generator utama (GE) untuk kebutuhan seluruh plant dan komplek perumahan karyawan.
1. Bila terjadi Power failure, maka UPS akan langsung mensuplai daya ke instrumen – instrumen yang sama sekali tidak boleh adanya pemutusan daya, yaitu dengan bantuan battery sebagai tenaga cadangan pada UPS. 2. Bila terjadi penurunan tegangan yang menyebabkan matinya generator
utama, maka DEG 760 kW akan start secara otomatis untuk mensuplai daya ke UPS, dimana system ini akan menggantikan fungsi battery sebagai sumber tenaga UPS dan menjalankan peralatan – peralatan kritis.
3.7 SISTEM DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK PADA PIM 2
Sistem distribusi listrik adalah suatu system bagaimana listrik yang berasal dari pembangkit ke pusat – pusat beban dan konsumen dengan mutu penyaluran yang memadai.
Sumber tenaga listrik di PT. Pupuk Iskandar Muda disuplai dari generator turbin gas dengan kapasitas daya 20 MW ; 11 kV. Sumber tenaga listrik untuk keadaan emergency diberikan oleh satu unit generator diesel emergency dengan kapasitas 760 kW ; 950 kVa. Sistem battery 115 Volt DC dan Uniterrupted Power Supply (UPS) 40 kVa untuk mengatasi tegangan rendah yang kritis.
Kontinuitas pelayanan tergantung dari pada macam sarana penyaluran dan peralatan pengaman. Sarana penyaluran atau jaringan distribusi mempunyai tingkat kontinuitas yang tergantung pada susunan saluran dan cara penghantar operasinya, pada hakekatnya direncanakan dan dipilih untuk memenuhi kebutuhan dan sifat beban.
28
3.8 SWITCH ROOM
Pengertian switch room adalah suatu tempat dimana tenaga listrik yang dihasilkan oleh pusat pembangkit listrik yang disalurkan ke switch room dan didistribusikan ke peralatan–peralatan pabrik.
Di pabrik PT. PIM ada enam switch room, masing – masing : 1. Switch room untuk Utility.
2. Switch room untuk Air Sparation Facility. 3. Switch room untuk Ammonia unit.
4. Switch room untuk Urea unit.
5. Switch room untuk Urea Handling and Storage Facility. Switch room terdiri dari :
1. Switch Gear 13,8 kV. 2. Switch Gear 2,4 kV. 3. Switch Gear 480 Volt.
3.8.1 Switch Gear 13,8 kV
Switch gear 13,8 kV adalah suatu peralatan listrik yang berfungsi menerima tenaga listrik yang bertegangan 13,8 kV yaitu dari generator utama 20 MW dan generator emergency 760 kW mempunyai system tenaga 2.4 kV, maka tegangan yang dihasilkan dinaikkan menjadi 13,8 kV dengan menggunakan Transformator Step up.
Switch gear 13,8 kV terdiri dari : 1. Vaccum Circuit Breaker (VCB) 2. Trafo Tegangan
3. Trafo Arus 4. Alat – alat Ukur 5. Rele – rele Proteksi
29
3.8.2 Switch Gear 2,4 kV
Switch gear 2,4 kV adalah suatu peralatan listrik yang berfungsi menerima tenaga listrik yang bertegangan 2,4 kV yaitu dari switch gear 13,8 kV melalui transformator step down.
Peralatan – peralatan di switch gear 2,4 kV hampir sama dengan peralatan di switch gear 13,8 kV. Walaupun demikian switch gear 2,4 kV ini akan melayani langsung beban – beban yang mempunyai system tegangan kerja 2,4 kV, misalnya motor – motor listrik.
3.8.3 Switch Gear 480 Volt
Switch gear 480 Volt adalah suatu peralatan listrik yang berfungsi menerima tenaga listrik yang bertegangan 480 Volt, dimana ada 2 macam bentuk dari switch gear itu sendiri, yaitu :
1. Switch gear dari tenaga listrik normal.
2. Switch gear 480 Volt tenaga listrik emergency.
Switch gear 480 Volt dari tenaga listrik normal, maksudnya adalah tenaga listrik yang diterima oleh switch gear 480 Volt tersebut disuplai dari generator utama 20 MW. Switch gear 480 Volt ini akan melayani beban – beban listrik yang mempunyai system tegangan kerja 480 Volt. Misalnya : motor – motor listrik, AC dan lain – lainnya.
Switch gear 480 Volt dari tenaga listrik emergency, maksudnya adalah tenaga listrik yang diterima oleh switch gear 480 Volt tersebut disuplai dari Emergency Diesel engine generator 760 KW apabila terjadi power failure dari generator utama. Switch gear 480 volt emergency ini akan melayani beban – beban listrik yang bersifat kritikal, misalnya : lube oil pump yang digerakkan oleh motor – motor listrik.
