ITS paper 22989 2210105027 Paper

(1)

Abstrak – Makalah ini membahas modifikasi yang diterapkan pada sistem proteksi, dan sistem pentanahan dari sebuah pabrik gas. makalah ini menjelaskan tentang selektifitas proteksi ground fault untuk sistem 11 kV dengan multiple bus yang terhubung dengan beberapa generator, terhubung dengan beberapa bus tie, dan terinkoneksi dengan PLN. Arus ground fault dikurangi untuk membatasi kerusakan peralatan, tetapi sensitifitas, dan selektifitas harus tetap terjaga, oleh sebab itu proteksi ground fault menjadi bagian yang sangat penting pada sistem kelistrikan di industri. Rele Directional ground fault dengan koordinasi pickup setting diterapkan untuk memperoleh sistem proteksi ground fault yang baik.

makalah ini juga menambahkan rele diferensial untuk gangguan ketanah yang dipasang pada sisi generator, dengan tujuan untuk mengatasi gangguan internal pada generator. Karena selama ini pada Sistem kelistrikan apabila ada gangguan gangguan ketanah pada internal generator, maka generator tersebut langsung lepas dan terjadi black out.

Kata Kunci : Koordinasi Proteksi, Rele Gangguan Ke Tanah, Rele Diferensial Gangguan Ketanah.

I. PENDAHULUAN

emakin meningkatnya pertumbuhan industri harus diimbangi pula dengan kontinuitas pelayanan listrik kepada pelanggan industri. Kontinuitas pelayanan listrik kepada pelanggan dapat terwujud salah satunya adalah dengan melakukan koordinasi sistem pengaman yang tepat. Salah satu metoda yang dilakukan untuk memperoleh keandalan sistem adalah koordinasi rele pengaman dengan memfungsikan rele sebagai pengaman utama dan pengaman cadangan. Proteksi cadangan ini umumnya mempunyai perlambatan waktu (time delay), hal ini untuk memberikan kesempatan kepada poteksi utama beroperasi terlebih dahulu, dan jika proteksi utama gagal baru proteksi

cadangan yang akan beroperasi. Untuk memenuhi fungsi tersebut maka waktu rele pengaman utama disetel lebih cepat daripada rele pengaman cadangan. Rele pengaman dengan kemampuan selektif yang baik dibutuhkan untuk mencapai keandalan sistem yang tinggi karena tindakan pengaman yang cepat dan tepat akan dapat mengisolir gangguan dan seminimal mungkin. Dengan koordinasi rele yang baik dan relevan, mengisolir gangguan, keandalan dan kontinuitas supplai daya tetap terjaga optimal.

Pembahasan didalam tugas akhir ini adalah bagaimana koordinasi rele ground fault yang tepat pada sistem kelistrikan, dan penambahan rele diferensial untuk mendeteksi arus gangguan ketanah pada internal generator. Penambahan rele diferensial ini sangat diperlukan karena selama ini sisi internal generator-generator pada sistem kelistrikan hanya menggunakan rele diferensial untuk mendeteksi gangguan tiga fasa, apabila ada gangguan satu fasa ketanah selama ini sistem kelistrikan akan black out.

II. STUDI KASUS SISTEM KELISTRIKAN A. Rating Tegangan

Pada sistem kelistrikan terdapat lima rating tegangan yang digunakan, yaitu :

1. Tegangan 20 KV.

Tegangan 20 KV ini berada pada daerah bus PLN

Utility. Tegangan ini yang masuk dari transformator PLN dan menyulang bus BOC-PLN. 2. Tegangan 11 KV.

Tegangan ini berada di daerah outgoing dari generator-generator yang ada.

3. Tegangan 6 KV. 4. Tegangan 3,3 KV.

Tegangan ini berada di bus 1APD-MCC-1 dan bus 1APD-MCC-2 yang di suplay dari dua buah transformator yang berhubungan parallel, yaitu 1APD-XF-1 dan 1APD-XF-2, yang masing-masing transformator berkapasitas 2 MVA. 5. Tegangan 0.4 KV.

Proteksi

Ground Fault

Untuk Sistem 11 kV

dengan

Multiple Bus

yang Terhubung

Beberapa Generator,

Bus

Ties, dan

PLN, dengan Sistem

Grounding

yang Berbeda-Beda

Luqman Erwansyah, Rony Seto Wibowo, dan Margo Pujiantara

Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: margo@ee.its.ac.id

(2)

B. Sistem Pembangkit Tenaga Listrik

Pada kondisi operasi normalnya, pembangkitan dilayani oleh lima unit generator dan satu utility PLN. rincian pembangkitan pada operasi normal dapat dilihat pada Tabel 2.1. di bawah ini.

Tabel 1. Pembangkit Tenaga Listrik

C. Sistem Distribusi

Berbagai macam jenis rangkaian dasar tersedia untuk distribusi daya bagi industri, pada umumnya biaya suatu sistem semakin meningkat bersama dengan keandalan sistem apabila didukung dengan kualitas komponen yang tinggi.

Tenaga listrik yang di suplai dari lima unit generator dan satu utility PLN akan didistribusikan ke seluruh beban yang ada.

Tabel 2. Data Transformator di Sistem Kelistrikan

No Transformator Primer KV Sekunder

KV MVA

D. Sistem Pentanahan Peralatan

Sistem pentanahan peralatan yang digunakan, baik pada generator, maupun pada transfomator memiliki sistem

grounding yang berbeda-beda, dapat dilihat pada Tabel 2.2 berikut ini:

Tabel 2.2. Pentanahan Peralatan

No Peralatan Rating pada pengerjaan tugas akhir ini memiliki sistem pentanahan yang berbeda-beda, sehingga akan berpengaruh pada arus

hubung singkat 1Φ ketanah.

E. Peralatan Rele Arah Arus Lebih Gangguan Ketanah

Rele arah arus lebih Gangguan Ketanah yang akan digunakan untuk mengamankan BUS BOC PLN-2 pada sistem kelistrikan adalah rele dari pabrikan GE Multilin dengan model F60. Rele ini dirancang untuk multi fungsi yaitu untuk mendeteksi gangguan arus lebih, dan gangguan arah.

III. HASIL SIMULASI DAN ANALISA

A. Pemodelan Sistem Kelistrikan

Pada bab ini akan dilakukan simulasi dan analisa dari sistem kelistrikan. Untuk mempermudah analisis yang dilakukan pada tugas akhir ini, perlu dilakukan pemodelan sistem kelistrikan. Data-data yang dibutuhkan untuk melakukan pemodelan sistem kelistrikan ini, antara lain :

1. Generator atau sumber yang terhubung dengan sistem. MVA; 4 pole; Voltage Control

2 1TGK-CTG-2 9.07 MW

11 kV; 80% pf; 11.338 MVA; 4 pole; Voltage Control

3 1TGK-CTG-3 9.07 MW

4 1TGA-STG-1 9 MW

5 1TGA-STG-2 9 MW

6 1TGG-GEG-1 3 MW

7 1TGG-GEG-2 3 MW

8 PLN Utility 4.636 MW 150 kV; 800 MVAsc;

(3)

Gambar 3.1. Tipikal Setting Rele yang Dibahas yaitu Rele Diferensial, dan Ground Directional Overcurrent Relay

studi analisis aliran daya (load flow study) dan studi analisis hubung singkat (short circuit study). Analisis hubung singkat yang dilakukan adalah hubung singkat maksismum 1Φ ke tanah (1/2 cycle).

Agar mempermudah dalam melakukan studi koordinasi proteksi, maka diambil beberapa contoh tipikal koordinasi yang dapat mewakili sebagian besar seluruh koordinasi proteksi yang ada pada sistem tersebut.

 Tipikal 1 : Setting rele diferensial untuk proteksi gangguan ketanah (87GN) yang dipasang diseluruh generator pada level tegangan 11kV.

 Tipikal 2 : Hal ini disebabkan dengan adanya dua supplai arus kontribusi yang berlawanan jika terjadi arus hubung singkat yaitu dari trafo 1APF-XF-1 dengan belitan Y

- Δ, dan Generator. Maka diperlukan

koordinasi rele arah jika terdapat dua kondisi arah arus yang berlawanan.

A. Rekomendasi Penambahan Rele Pengaman Pada Sistem Kelistrikan

Untuk menunjang system pengaman diperlukan penambahan rele yang berfungsi untuk mendeteksi gangguan ke tanah pada sisi internal dari generator (87GN). Rekomendasi penambahan rele pengaman yang akan digunakan meliputi pemasangan rele diferensial (87GN) pada setiap generator, dan penambahan Ground Directional Overcurrent Relay pada bus yang tehubung dengan utility PLN ke bus yang terhubung ke Generator.

�_� 1� = 3�_�

1+2+ 0+3 _� [8]

Dimana ; �_� = Tegangan phasa ke netral 1 = Impedansi urutan positif

2 = Impedansi urutan negative

0= Impedansi urutan nol

_�= Impedansi gangguan

B. Macam-Macam Sistem Grounding Yang Digunakan

No Peralatan Rating Tegangan

Hubungan

Belitan Pentanahan

1

Generator

1TGK-CTG-1 11 kV Bintang

NGR 100 A (63.5085 Ω)

2

Generator

NGR 100 A (63.5085 Ω)

3

Generator

NGR 100 A (63.5085 Ω)

4

Generator HV

1TGA-STG-1 11 kV Bintang

NGR 100 A (63.5085 Ω)

5

Generator HV

1TGG-GEG-1 11 kV Bintang

NGR 100 A (63.5085 Ω)

8

Transformator

1APF-XF-1 11 kV Bintang –Delta

NGR 12.7 A (500 Ω)

PadaTransformator 1APF-XF-1 menggunakan hubungan belitan Bintang –Delta dengan menggunakan sistem pentanahanNGR 12.7 A (500 Ω) pada sisi primer trafo.

C. Rele Differensial Gangguan Ketanah (87GN)

Penambahan rele differensial disini dipasang pada sisi generator, yang bertujuan untuk mendeteksi gangguan internal pada setiap generator apabila terjadi gangguan ketanah.

(4)

Gambar 3.2. Single Line Diagram Rangkaian Rele Diferensial Untuk Gangguan Ketanah Pada Generator [6]

Dari skema rangkain rele diferensial diatas, CT yang digunakan adalah Zct, merupakan rele yang berjenis toroid yaitu hanya menggunakan satu CT untuk tiga belitan kabel baik disisi netral maupun fasa. Zct berfungsi untuk mendeteksi gangguan ground fault rele diferensial generator gangguan ketanah merupakan rele utama yang bekerja mengamankan generator dari gangguan didalam generator, dan tidak bekerja saat terjadi gangguan di luar generator.

Setting waktu yang digunakan sebesar 1 cycle– 3 cycle [8] Tabel 3.1 Ratio CT Pada Setiap Generator

No. Nama Generator Pentanahan Ratio CT

1 1TGK-CTG-1 NGR

(100A) 100:5

2 1TGK-CTG-2 NGR

(100A) 100:5

3 1TGK-CTG-3 NGR

(100A) 100:5

4 1TGA-STG-1 NGR

(100A) 100:5

6 1TGA-STG-2 NGR

(100A) 100:5

7 1TGG-GEG-1 NGR

(100A) 100:5

1. Kabel Penghubung CT ke Rele Diferensial

Penghantar yang menghubungkan CT ke rele diferensial menggunakan standart Sil.0210-78/SPLN.VDE 0271.

Diameter : 4 mm²

Resistansi : 4.56 Ω/km

Panjang kabel dari rele ke CT = 5 m Maka :

Resistansi per meter = 4.56

1000 = 0.00456Ω/m

Sehingga : RL = 5 x 0.00456 = 0.0228 Ω

2. Menentukan Resistansi Pada CT

Cara menentukan resistansi CT yaitu dengan menggunakan Hukum Kirchof yaitu;

P = VA Dimana; P = Daya (VA)

I = Arus sekunder CT (A) R = Resistansi (Ω)

Tabel 3.2 Resistansi CT Pada Setiap Generator

3. Perhitungan Setting Arus Rele Diferensial, dan Prosentase Perlindungan Pada Belitan Stator Generator

Pada Perhitungan rele diferensial ini meliputi

gradding time setting, arus tap setting, dan kemampuan perlindungan belitan stator.

�_�� = ( Σ �_� + � + �1 ) N [6]

Dimana ;

�� = Arus Eksitasi dari CT

� = Arus di rele diferensial ketika tegangan pick up

�1 = Arus di unit thyrite dari rele diferensial ketika

tegangan pick up � = Ratio CT

Persentase Perlindungan Belitan Stator Generator [ 1 – ( �_�� / �_�_{� �} 1 _� )] x 100% [6]

Gambar 3.3. Kurva Karakteristik Eksitasi CT [6]

No. Nama

Generator Ratio CT

Daya (VA)

Arus (A)

Resistansi

(Ω)

1

1TGK-CTG-1 100:5

3 5 0.12

2

1TGK-CTG-2 100:5

3 5 0.12

3

1TGK-CTG-3 100:5

3 5 0.12

4

1TGA-STG-1 100:5

3 5 0.12

6

1TGA-STG-2 100:5

3 5 0.12

7

1TGG-GEG-1 100:5

(5)

Gambar 3.4. Kurva Karakteristik Eksitasi CT [6]

Gambar 3.5 Grafik Rele Diferensial Pada Generator

D. Perhitungan Rele Arus Lebih Gangguan Ke Tanah

( 5 – 10 )% * � ≤ �_��≤ 50% * � Tap = ��

� ��

Tabel 3.3 Setting Rele Arus Lebih Gangguan Ke Tanah

Gambar 3.6 Kurva Rele Arus Lebih Gangguan Ketanah Dari hasil kurva diatas, generator 1TGG-GEG-4 tidak mempunyai sitem pentanahan sehingga ditambahkan rele arus lebih gangguan ke tanah dengan setting waktu lebih cepat dari dari generator-generator yang lain yaitu setting

waktu untuk generator 1TGG-GEG-4 adalah 0.1 sekon, sedangkan untuk generator lainnya 0.7 sekon , sehingga jika

Rele CT Curve

Time Delay (s) Rele 52-2

GE Multilin F60 50/5 Definite 0.7 Rele 15

GE Multilin F60 50/5 Definite 0.7 R_52_16

(6)

ada arus hubung singkat generator tidak terkena arus kontribusi hubung singkat atau dapat trip lebih dahulu.

E. Setting Ground Directional Overcurrent Relay

Gambar 3.7 Tipikal Koordinasi Ground Directional Overcurrent Relay

Secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa rele arah diperlukan pada sistem kelistrikan. Hal ini disebabkan dengan adanya dua supplai arus kontribusi yang berlawanan jika terjadi arus hubung singkat yaitu dari trafo 1APF-XF-1 dengan belitan Y - Δ, dan Generator. Maka diperlukan

ANSI 67- Directional overcurrent, mempunyai karakteristik yang dapat disetting dengan dua cara yaitu; setting dengan arus meninggalkan trafo 1APF-XF-1 dan arus yang menuju trafo yang akan dilindungi. Untuk setting arus meninggalkan trafo menggunakan setting dari trafo 1APF-XF-1, sedangkan untuk setting arus menuju trafo menggunakan setting dari generator.

Tabel 4.2 Ringkasan Setting Rele Arah

Nama

1. Pengaman pada generator dalam kondisi

existing hanya menggunakan rele pengaman diferensial untuk gangguan fasa, apabila ada gangguan ke tanah direkomendasikan dengan penambahan rele diferensial untuk gangguan ketanah (87 GN).

2. Setting waktu rele diferensial harus lebih cepat dari setting waktu rele-rele yang lain, ha lini dikarenakan fungsi dari rele diferensial tersebut hanya bekerja ketika ada gangguan internal satu fasa ketanah pada generator. Setting waktu yang digunakan sebesar 0.05 sekon.

3. Generator 1TGG-GEG-4 tidak mempunyai sistem grounding, sehingga generator tersebut tidak memerlukan pengaman diferensial gangguaan ketanah, dan cukup diberi rele

ground overcurrent dengan time delay 0.1 s, sehingga rele tersebut disetting lebih cepat daripada rele ground overcurrent yang dipasang di generator yang lainnya.

4. Secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa rele arah diperlukan pada sistem kelistrikan. Hal ini disebabkan dengan adanya dua supplai arus kontribusi yang berlawanan jika terjadi arus hubung singkat yaitu dari trafo 1APF-XF-1 dengan belitan Y - Δ, dan Generator. Maka diperlukan koordinasi rele arah jika terdapat dua kondisi arah arus yang berlawanan.

5. Dengan penambahan rele arah pada sisi perimer trafo maka dapat menentukan arah arus gangguan hubung singkat, baik dari sisi generator atau trafo 1APF-XF-1.

UCAPANTERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember yang telah menfasilitasi penulisan penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1] SPLN 52-3 : 1983, ”Pola Penga man Sistem Bagian Tiga, Sistem Distribusi 6 kV dan 20 kV”, Perusahaan

UmumListrik Negara, Jakarta, Pasal 4, 1983

[2] Penangsang, Ontoseno,“DiktatKuliah Analisis Sistem Tenaga Jilid 2”, TeknikElektro ITS, Surabaya, Bab 1,

2006

[3] Sleva, Anthony F., “Protective Relay Principles”, CRC

Press, USA, Ch. 5, 2009

[4] Hewitson, L.G. (et al), “Pra ctical Power Systems Protection”, Elsevier Ltd., USA, Ch.1, 2004

[5] ALSTOM, “Network Protection & Automation Guide”,

Levallois-Perret, France, Ch. 2, 2003

[6] IEEE Standard C37.101-2006, “Guide For Generator Protection”

New York, USA, 2006

[7] Murata Power Solutions, Inc, “MPM. DMS-CT.A01”,

Mansfield, USA, 2008