PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA

(1)

TUGAS AKHIR - TE141599

PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI

GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA

PT. GRESIK POWER INDONESIA

Fauzi Surya Wicaksono

NRP 2212100124 Dosen Pembimbing

Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultar Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

(2)

TUGAS AKHIR – TE141599

PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI

GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA

PT. GRESIK POWER INDONESIA

Fauzi Surya Wicaksono NRP 2212100124

Dosen Pembimbing

Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T.

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Elektro

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

(3)

FINAL PROJECT – TE141599

CALCULATION AND ANALYSIS OF GENERATOR

PROTECTION RELAY FOR NEW 2 X 1.5 MVA

GENERATOR IN PT. GRESIK POWER INDONESIA

Fauzi Surya Wicaksono NRP 2212100124

Supervisors

Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T.

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT Faculty of Electrical Technology Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

(4)

iii

PERNYATAAN KEASLIAN

TUGAS AKHIR

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi sebagian maupun keseluruhan Tugas Akhir saya dengan judul “PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA” adalah benar benar hasil karya intelektual mandiri, diselesaikan tanpa menggunakan bahan-bahan yang tidak diizinkan dan bukan merupakan karya pihak lain yang saya akui sebagai karya sendiri. Semua referensi yang dikutip maupun dirujuk telah ditulis secara lengkap pada daftar pustaka. Apabila ternyata pernyataan ini tidak benar, saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan yang berlaku.

Surabaya 14 Juli 2017

Fauzi Surya Wicaksono

(5)

iv

(6)

(7)

vi

(8)

vii

PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI

GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT.

GRESIK POWER INDONESIA

Fauzi Surya Wicaksono 2212100124

Dosen Pembimbing I : Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. Dosen Pembimbing II : Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T.

ABSTRAK

Generator sebagai penyedia daya listrik dalam sistem, generator sangat dijaga untuk tidak trip. Tripnya generator akan sangat berpengaruh pada sistem. Sehingga generator harus dijaga untuk tidak mudah trip, namun masih dalam batas aman untuk generator beroperasi. Untuk menjaga keandalan kerja generator, generator membutuhkan skema proteksi yang berfungsi untuk menyeleksi dan mengisolir generator ketika terjadi gangguan. Skema proteksi yang digunakan untuk generator dengan ukuran 1,5 MVA dengan tegangan 11KV adalah skema proteksi generator menengah. Skema proteksi generator menengah menggunakan relay 64F, 87, 46. 40, 51N, 32, 51V. Pengaturan parameter yang diterapkan pada relay membutuhkan perhitungan sesuai dengan kondisi sistem generator tersebut dipasang, dan selain itu terdapat juga nilai standar setting untuk beberapa fungsi relay.

(9)

viii

(10)

ix

CALCULATION AND ANALYSIS OF GENERATOR

PROTECTION RELAY FOR NEW 2 X 1.5 MVA

GENERATOR IN PT. GRESIK POWER INDONESIA

Fauzi Surya Wicaksono 2212100124

Supervisor I : Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. Supervisor II : Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T.

ABSTRACT

Generator as rotating machine and as primary electrical energy supplier must be designed with minimum failure, and sensitive to all fault possibility. There are few standards in the world to protect generator. Whether fault caused from generator internal, generator misoperation, or fault from the system which the generator is connected. Many type of relay is available for generator protection. From that circumstance, protection scheme, calculation, and analysis of generator protection relay is needed to maintain continuity, life time, and energy supply of the synchronous generator. Protection scheme used to protect generator sized of 1.5 MVA and 11KV is a medium generator protection scheme. Generator is protected using 64F, 87, 46. 40, 51N, 32, 51V relay. The setting is designed to suit the generator and the system it installed, and few of the setting is standard that can be applied.

Keywords: Synchronous Generator, AC Generator Protection, Protection

(11)

x

(12)

xi

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan yang maha esa, Tuhan semesta alam, Allah SWT. Karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penulisan buku tugas akhir dengan judul “PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY

PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA” Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat

yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan program Strata-1 pada Jurusan Teknik Elektri Fakultas Teknologi Industri Institut Sepuluh Nopember Surabaya

Penulis menyadari bahwa dalam proses penulisan buku tugas akhir ini banyak kendala, dan hambatan, namun berkat bantuan, bimbingan, kerja sama, dan doa dari berbagai pihak, pada akhirnya hal-hal tersebut dapat dilampaui. Oleh sebab itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih sebanyak-banyaknya, dan penghargaan tertinggi kepada:

1. Allah SWT, karena atas izin, rahmat, dan hidayah-Nya lah penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Kedua orang tua, Bapak Eddy Suryanto, Ibu Tity Purwanti, dan juga kedua adik, Adinda, Dan Fariz, karena atas doa, semangat, dukungan mereka. Kalian Terbaik!

3. Bapak Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T dan Bapak Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. sebagai pembimbing atas semua dukungan, bantuan, arahan, dan ilmunya yang membuat Tugas Akhir ini dapat diselesaikan.

4. Kepada teman-teman terbaek, Rekan-rekan e52, dan khususnya bidang studi Teknik Sistem Tenaga, atas dukungan, semangat, dan pencerahannya.

Penulis mengharapkan penulisan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, dan bagi yang membutuhkannya

Surabaya, Juli 2017

(13)

xii

(14)

xiii

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL ... i

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... iii

LEMBAR PENGESAHAN ... v

ABSTRAK ... vii

KATA PENGANTAR ... xi

DAFTAR ISI ... xiii

DAFTAR GAMBAR ... xvii

DAFTAR TABEL ... xix

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Tujuan Tugas Akhir ... 2

1.5 Metodologi ... 2

1.6 Sistematika Penulisan ... 2

1.7 Relevansi ... 3

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Proteksi Generator ... 5

2.2 Fungsi relay proteksi generator ... 6

2.2.1 Relay Proteksi Belitan Medan (64F)... 7

2.2.2 Relay Arus Diferensial Fasa (87) ... 8

2.2.3 Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) . 10 2.2.4 Relay Loss Of Field (40) ... 12

2.2.5 Relay Arus Urutan Negatif (46) ... 15

2.2.6 Relay Directional Power (32) ... 18

2.2.7 Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restrained (51V) ... 19

BAB 3 DATA GENERATOR DAN SISTEM ... 23

3.1 Generator ... 23

3.2 Sistem... 23

3.3 Spesifikasi Fungsi Proteksi Relay ... 23

3.3.1 Relay Proteksi Belitan Medan (64F)... 23

(15)

xiv

3.3.3 Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) .. 25

3.3.4 Relay Loss of Field (40) ... 26

3.3.5 Relay Arus Lebih Urutan Negatif (46) ... 27

3.3.6 Relay Directional Power (32) ... 28

3.3.7 Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restrained (51V) ... 28

BAB 4 Perhitungan setting relay ... 31

4.1 Relay Proteksi Belitan Medan (64F) ... 31

4.2 Relay Arus Diferensial Fasa (87)... 32

4.3 Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) ... 39

4.4 Relay Loss Of Field (40) ... 43

4.4.1 Zona 1 ... 43

4.4.2 Zona 2 ... 46

4.5 Relay Arus Urutan Negatif (46)... 47

4.6 Relay Directional Power (32) ... 53

4.7 Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restraint (51V) ... 56

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 61

5.1 Kesimpulan ... 61

5.2 Saran ... 62

DAFTAR PUSTAKA ... 63

LAMPIRAN A ... 65

A.1 Single Line Diagram Sistem... 65

(16)

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema relay proteksi tipikal untuk generator ukuran

medium ... 6

Gambar 2.2 Skema Injeksi Sinyal Kotak ke Belitan Medan pada Rotor 9 Gambar 2.3 Pemasangan Relay Percentage Differential ... 10

Gambar 2.4 Skema Setting Relay Loss of Field [1] ... 14

Gambar 2.5 Nilai konstanta K untuk generator rotor silinder 801MVA-1600MVA ... 17

Gambar 3.1 Posisi Generator pada Sistem ... 24

Gambar 4.1 Nilai saat full load ... 35

Gambar 4.2 Arus saat hubung singkat eksternal. ... 36

Gambar 4.3 Arus saat hubung singkat internal ... 37

Gambar 4.4 Hasil Setting Fungsi 51N ... 42

Gambar 4.5 Hasil Perhitungan Untuk Pengaturan Relay Loss of Field ... 48

Gambar 4.6 Kurva operasi kontinu unbalanced generator ... 50

Gambar 4.7 Kurva operasi kontinu dan short time capability unbalanced generator ... 51

Gambar 4.8 Unbalanced generator capability curve ... 52

Gambar 4.9 Kurva setting dan unbalanced generator capability curve ... 54

Gambar 4.10 Kurva koordinasi relay arus lebih eksisting ... 59

(19)

xviii

(20)

xix

DAFTAR TABEL

Tabel 2-1 Konstanta Kurva Time Delay IEEE ... 12

Tabel 2-2 Besar arus urutan negatif yang diperbolehkan [1] ... 16

Tabel 2-3 Besar konstanta K untuk generator [1] ... 16

Tabel 2-4 Kemampuan Motoring Generator Berdasarkan Tipe Prime Mover [8] ... 19

Tabel 3-1 Detil setting fungsi 64F ... 24

Tabel 3-2 Detil setting fungsi 87 ... 25

Tabel 3-3 Detil setting fungsi 51N ... 25

Tabel 3-7 Detil setting fungsi 51V ... 29

(21)

xx

(22)

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

PT. Gresik Power Indonesia, merupakan salah satu bagian dari LINDE Group. Sebuah perusahaan yang bergerak dibidang penyedia gas di Indonesia sejak tahun 1971. PT. Gresik Power Indonesia memroduksi dan mendistribusikan keperluan gas-gas khusus, gas industri, hingga gas medis. Selain itu juga menyediakan pelayanan terkait, termasuk instalasi peralatan, jalur pipa gas, dan pelayanan engineering. Dalam proses pengembangan bisnisnya, PT. Gresik Power Indonesia membutuhkan tambahan daya pada pabrik untuk menambah volume produksi.

Penambahan volume produksi dari PT. Gresik Power Indonesia membutuhkan pasokan daya tambahan. PT. Gresik Power Indonesia menambah dua unit generator sebesar 1,5 MVA untuk memebuhi kebutuhan tersebut. Sejalan dengan penambahan kapasitas daya dari pabrik tersebut dengan menambah unit generator, dibutuhkan pula proteksi untuk unit generator baru tersebut.

Proteksi pada generator dibutuhkan agar generator dapat bekerja dengan baik, dan menjaga umur dari generator tersebut. Relay proteksi digunakan untuk mengamankan generator dari kondisi gangguan dan pengoperasian abnormal. Entah gangguan yang berasal dari internal generator tersebut maupun, gangguan yang berasal dari sistem dimana generator tersebut dipasang. Untuk mengatur kerja relay proteksi tersebut dibutuhkan perhitungan yang mempertimbangkan satu atau beberapa aspek.

Oleh karena itu menentukan dan perhitunggan untuk setting relay proteksi generator dibutuhkan. Karena relay proteksi untuk dapat bekerja dengan baik, dan sesuai dengan peralatan yang dilindunginya harus sesuai dengan keadaan riil kondisi dan spesifikasi dari peralatan tersebut. Untuk mengamankan generator dari gangguan dan pengoperasian tidak normal dibutuhkanlah perhitungan setting relay proteksi.

(23)

2

1.2 Perumusan Masalah

Generator dalam pengoperasiannya membutuhkan proteksi dari hal-hal yang menggangu ketersediaan daya yang dihasilkan oleh generator, atau hal yang dapat mengurangi umur dari generator tersebut. Gangguan yang datang dapat berasal dari internal generator sinkron itu sendiri maupun dari sistem yang disuplainya. Pengaturan setting relay sangat dibutuhkan untuk diterapkan sebagai proteksi dari generator.

1.3 Batasan Masalah

Permasalahan pada tugas akhir ini dibatasi oleh beberapa hal antara lain:

1. Pengaturan relay yang diaplikasikan untuk proteksi generator berukuran 1.5 MVA.

2. Relay yang digunakan untuk memproteksi generator berdasarkan standar ANSI adalah relay 64F, 87, 46. 40, 51N, 32, 51V.

1.4 Tujuan Tugas Akhir

Tujuan yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini adalah:

1. Menghitung setting relay proteksi generator baru yang dipasang di PT. Gresik Power Indonesia

2. Menerapkan perhitungan proteksi relay pada relay Beckwith Electric M3425A yang terpasang untuk memroteksi generator baru.

1.5 Metodologi

Perhitungan setting relay yang digunakan pada Tugas Akhir ini berdasarkan perhitungan dengan standar perhitungan standar ANSI/IEEE C37.102, atau C50.13, atau standar Alstom yang sudah dipublikasikan, serta petunjuk User Manual dari relay Beckwith Electric M3425A

1.6 Sistematika Penulisan

Buku tugas akhir ini terdiri dari lima bab dan disusun menurut sistematika penulisan seperti berikut ini:

(24)

3

Bab Pertama, Pendahuluan, Berisi tentang latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan, sistematika penulisan, dan relevansi.

Bab Kedua, Dasar Teori. Berisi teori-teori yang menunjang penelitian, berupa teori tentang generator sinkron, relay proteksi, serta pengetahuan lainnya yang dibutuhkan untuk mengetahui cara perhitungan setting relay proteksi generator.

Bab Ketiga, Data Generator, dan Sistem. Berisi tentang data dari generator baru yang akan diproteksi oleh relay. Dilanjutkan dengan penjelasan posisi generator pada sistem. Selain itu juga terdapat spesifikasi dari relay yang digunakan untuk penerapan perhitungan setting relay.

Bab Keempat, Perhitungan Setting Relay. Berisi tentang perhitungan pengaturan relay untuk beberapa jenis fungsi proteksi.

Bab Kelima, Kesimpulan dan Saran. Berisi kesimpulan dan saran yang dapat dijadikan bahan pertimbangan berdasar dari hasil pengerjaan tugas akhir ini.

1.7 Relevansi

Hasil yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini adalah diharapkan mencapai hal berikut:

1. Mendapatkan pengaturan setting relay untuk proteksi generator GEG-RENT-02

2. Sebagai acuan pertama untuk perbaikan proteksi selanjutnya dari generator GEG-RENT-02

3. Sebagai salah satu dasar acuan bagi peneliti berikutnya untuk meneliti lebih lanjut lagi pada bidang ini. Perhitungan pengaturan relay ini dapat dikembangkan lagi untuk meningkatkan koordinasi proteksi yang lebih baik lagi.

(25)

4

(26)

5

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Proteksi Generator

Dalam kondisi apapun, gangguan adalah hal yang tidak mungkin dihilangkan sama sekali. Gangguan akan selalu ada dan daptat muncul sewaktu-waktu. Sebagai peralatan penyedia energi listrik, generator dituntut untuk terus bekerja sesuai dengan permintaan energi. Terus menyediakan energi listrik pada kondisi apapun, dengan gangguan yang kapanpun mungkin akan terjadi.

Untuk mempertahankan generator dari gangguan yang terjadi, dan juga untuk mempertahankan generator agar tidak rusak secara prematur, sebuah skema proteksi untuk generator sangat dibutuhkan. Masalah yang muncul dapat muncul dari sumber manapun. Gangguan dapat muncul dari sistem yang terhubung dengan generator, unit transformer generator, bahkan hingga internal dari generator itu sendiri. Masalah yang terjadi dapat mengurangi kualitas energi yang diproduksi, mengganggu keberlangsungan generator dalam memproduksi energi listrik, atau bahkan lebih jauh lagi mengurangi umur dari generator itu sendiri.

Bentuk dari skema proteksi generator akan berbeda untuk setiap kenis generator. Dilihat dari jenis prime mover generator tersebut, bagaimana generator tersebut ditanahkan, hingga ukuran dari mesin generator tersebut. Namun skema proteksi dari generator yang direkomendasikan berdasarkan ukuran mesin dari generator.

Untuk generator diatas 600V dengan kapasitas diatas 500kVA hingga 12500kVA dikategorikan sebagai generator dengan ukuran medium. Generator dengan ukuran medium, minimum menggunakan 7 jenis fungsi relay untuk mengamankan operasinya[2]. Ketujuh jenis tersebut terhubung dengan generator seperti pada gambar 2.1. dan ketujuh fungsi tersbut adalah

 51V, Voltage restrain or controlled overcurrent relay.

 51G, Ground time-overcurrent relay.

 87, Differential relay.

(27)

6

 40, Impedance relay.

 46, Negative-phase-sequence relay.

 64F, Generator field ground relay.

Ketujuh fungsi relay tersebut di-setting sesuai dengan spesifikasi mesin dari generator. Nilai setting akan berpengaruh dari nilai reaktansi generator, bagaimana generator tersebut ditanahkan, bagaimana koordinasi arus lebih pada sistem, dan sebagainya. Setiap fungsi relay memiliki kebutuhan spesifikasi tersendiri untuk menentukan nilai setting.

Gambar 2.1 Skema relay proteksi tipikal untuk generator ukuran

medium

2.2 Fungsi relay proteksi generator

Proteksi yang dibutuhkan untuk generator akan meliputi perlindungan untuk stator, perlindungan untuk rotor, dan perlindungan saat kondisi dan pengoperasian abnormal. Proteksi tersebut menggunakan relay yang meliputi bagian-bagian tersebut. Untuk metode proteksi akan dijelaskan per-fungsi relay, termasuk caara kerja, skema, dan alasan mengapa relay tersebut dipasang.

(28)

7

2.2.1 Relay Proteksi Belitan Medan (64F)

Perlindungan untuk belitan medan medan pada rotor utamanya adalah perlindungan rotor terhadap pada hubung singkat ke tanah pada rangkaian belitan medan untuk generator yang menggunakan elektromagnet sebagai sumber medan magnetnya. Untuk rotor yang menggunakan magnet permanen sebagai sumber dari medan magnetnya, proteksi untuk rotor ini tidak ada.

Rangkaian yang digunakan untuk membuat medan magnet menggunakan elektromagnet bersumber dari tegangan DC (Tegangan searah). Jika terjadi kebocoran isolasi pada belitan medan, pada belitan medan akan muncul titik tanah baru, dan menyebabkan medan yang terbangkitkan pada belitan tidak sesuai dengan kebutuhan generator. Selain itu dapat juga menyebabkan penyebaran fluks pada airgap tidak menyebar secara merata dan dapat menyebabkan vibrasi yang mengakibatkan kerusakan mekanis.

Untuk mendeteksi titik tanah pada belitan medan terdapat berbagai macam cara. Untuk kali ini skema yang digunakan adalah dengan skema pendeteksian titik tanah dengan menginjeksikan sinyal kotak frekuensi rendah. Sesuai dengan spesifikasi relay yang digunakan untuk mengamankan generator.

Proteksi belitan medan pada stator menggunakan injeksi sinyal kotak dengan frekuensi rendah bekerja dengan menginjeksikan sinyal AC tambahan yang berasal dari relay ke kutub positif dari arus DC pada belitan medan dengan frekuensi tertentu. Setelah itu kutub negatif dan body dari generator yang ditanahkan dihubungkan dengan relay kembali untuk mendeteksi apakah ada gangguan pada isolasi belitan medan pada generator. Relay mendeteksi gangguan dengan mengalkulasi kebocoran isolasi pada belitan medan dengan mendeteksi sinyal yang kembali ke relay. Lalu relay akan mendapatkan nilai resistansi dari isolasi belitan medan.

Untuk setting dari relay 64F ini terdapat 3 Nilai yang diatur. Frekuensi injeksi, Nilai Pickup, dan Delay. Untuk Frekuensi Injeksi dari sinyal kotak dengan frekuensi diantara 0.1 hingga 1.0 Hz. Besar nilai frekuensi injeksi sinyal kotak tersebut diatur atas pertimbangan besar dari

(29)

8

nilai kapasitansi belitan medan. Untuk Nilai Pickup berupa besar nilai resistansi dari isolasi belitan, ketika nilai isolasi turun dibawah dari nilai yang di-set relay mendeteksi kejadian tersebut sebagai gangguan. Untuk Nilai pickup dari 64F, di-set sebesar 20 KW untuk alarm, dan ditambah pickup sebesar 5 KW untuk trip dalam kondisi kritis [standar IEEE]. Setting untuk delay waktunya dari pickup hingga relay mengirimkan sinyal baik itu sinyal trip ataupun alarm adalah sebesar 600 cycle untuk alarm, dan 300 cycle untuk trip [14].

Seperti yang disebutkan sebelumnya, ketika nilai resistensi isolasi belitan medan sudah turun dibawah nilai tertentu selama waktu tertentu, relay 64F memiliki dua opsi, mengirim sinyal trip, atau menghidupkan alarm. Terdapat dua skema penyelesaian ketika terjadi permasalahan yang menyebabkan relay 64F ini bekerja. Cara pertama yaitu dengan membunyikan alarm ketika pickup pertama, untuk menandakan kepada personnel yang bertuga untuk meniadakan masalah tersebut dalam durasi waktu yang telah ditentukan, ketika masalah berhasil diatasi generator akan berfungsi normal, dan ketika masalah belum berhasil diatasi generator harus dimatikan untuk terhindar dari masalah yang lebih fatal. Cara kedua yaitu dengan relay langsung mengeluarkan perintah trip ketika masalah terdeteksi dan sudah berlangsung melebihi batas waktu yang telah di-set.

2.2.2 Relay Arus Diferensial Fasa (87)

Relay arus differensial fasa yang digunakan untuk memproteksi generator umumnya berfungsi untuk mendeteksi gangguan pada fasa belitan stator. Relay differensial akan mendeteksi hubung singkat pada fasa stator berupa gangguan tiga fasa, hubung singkat antar fasa, hubung singkat dua fasa ke tanah, dan hubung singkat satu fasa ke tanah. Untuk pendeteksian hubung singkat satu fasa ke tanah bergantung dengan bagaimana generator ditanahkan.

(30)

9

Gambar 2.2 Skema Injeksi Sinyal Kotak ke Belitan Medan pada Rotor

Proteksi menggunakan relay arus differensial yang digunakan adalah percentage slope differential relay. Percentage differential relay, bekerja dengan cara yang hampir sama, namun pada relay ini terdapat dua atau lebih coil tambahan pada ujung dari coil utama. Relay ini memiliki fungsi utama untuk melindungi peralatan yang berada diantara dua CT yang digunakan. Jadi, relay akan mendeteksi gangguan ketika gangguan terjadi di peralatan tersebut, dan tidak bereaksi ketika terjadi gangguan diluar dari kedua CT tersebut.

Kumparan utama pada relay dialiri selisih arus yang didapat dari kedua CT. Kumparan penahan (Restraining coil) dialiri arus yang bernilai dari rata-rata kedua arus dari CT. Kedua kumparan tersebut berfungsi untuk menghasilkan torsi putaran yang arahnya berbeda namun besarnya sama ketika tak terjadi gangguan. Relay akan bekerja ketika torsi putaran yang dihasilkan oleh kumparan utama lebih besar dariada torsi putaran yang dihasilkan oleh kumparan penahan. Secara riil-nya torsi kumparan utama akan lebih besar ketika besar arus yang yang dideteksi oleh CT tidak seimbang.

(31)

10

Gambar 2.3 Pemasangan Relay Percentage Differential

Relay differensial jenis ini diatur bedasarkan arus pickup, persenan dari perbandingan arus utama dan arus penahan, dan terakhir adalah delay waktu. Arus pickup berupa arus yang terdapat pada arus penahan. Cara relay menentukan gangguan adalah ketika relay menerima arus pada penahan lebih besar daripada arus setting pickup dan persenan dari perbandingan antara arus utama dan arus penahan lebih besar dari pada persenan setting relay selama durasi yang lebih panjang dari setting time delay.

Menurut (contoh pada) standar yang dipublikasikan oleh IEEE, standar untuk setting relay 87 ini adalah sebesar (0,3A) dan dengan besar setting slope sebesar 10%. Untuk setting delay waktu dilakukan tanpa delay.

Untuk pengaturan relay ini yang menjadi bahan pertimbangan bukan hanya sistem kerja relay saja. Walaupun relay jenis ini umumnya akan sensitif terhadap gangguan pada internal stator, tetapi tidak akan mendeteksi gangguan yang akan terjadi apabila CT mengalami gangguan saturasi arus. Spesifikasi CT yang digunakan untuk proteksi gangguan fasa pada belitan stator dari generator harus dapat membaca arus gangguan yang terjadi dalam kondisi gangguan. CT harus dapat membaca jumlah arus yang tinggi. Selain itu dibutuhkan konfigurasi arus CT yang satu arah dikedua sisinya.

2.2.3 Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N)

Relay 51N ini berfungsi khusus untuk mendeteksi kegagalan yang terjadi dengan cara mengukur arus lebih pada kawat netral generator. Nilai arus yang didaat oleh relay bersumber dari CT yang dipasang pada

(32)

11

kawat netral dari generator. Relay 51N akan mengoperasikan sinyal setelah arus yang diterima oleh relay melebihi nilai pickup dari setting pada relay. Setelah relay mendeteksi sebuah gangguan, relay tidak langsung mengoperasikan sinyal, pada relay 51N terdapat karakteristik waktu yang menjadi jeda antara waktu arus melebihi nilai pickup dan pengoperasian sinyal dari relay.

Besarnya waktu jeda antara pickup dan pengoperasian sinyal berbeda-beda sesuai dengan arus pickup, kurva karakteristik waktunya, dan time dial-nya. Untuk durasi jeda dari semua kurva karakteristik waktunya akan semakin panjang ketika besar arus gangguan tidak berbeda jauh dengan arus pickup, dan durasi jeda akan semakin singkat ketika besar arus gangguan semakin jauh melebihi arus pickup. Untuk mendapatkan nilai jeda waktu hingga relay mengoperasikan sinyal diatur melalui kurva karakteristik dan time dial. Kurva karakteristik dan time dial dari relay arus lebih dengan jeda waktu inverse dijelaskan pada standar IEEE[4] dan dilengkapi dengan guide dari ALSTOM[12] sesuai rumus sebagai berikut.

𝑡(𝐼) = 𝑇𝐷 7 ( 𝐴 (_{𝐼𝑝𝑖𝑐𝑘𝑢𝑝}𝐼𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡) 𝑝 − 1 + 𝐵 ) 2.1 Dimana,

t(I) waktu trip dalam detik

TD Time Dial

Iinput besar arus yang dibaca oleh relay Ipickup besar arus pickup pada setting relay

(33)

12

Tabel 2-1 Konstanta Kurva Time Delay IEEE

Karakteristik Kurva A B p Moderately Inverse 0,0515 0,1140 0,02 Very Inverse 19,61 0,491 2,00 Extremely Inverse 28,2 0,1217 2,00

Rumus tersebut merupakan rumus pembuat kurva waktu trip berdasarkan arus yang mengalir ke relay.

Relay 51N ini dapat digunakan untuk memproteksi generator gangguan berupa arus hubung singkat satu fasa ke tanah pada belitan stator generator. Gangguan ini dapat menyebabkan arus yang besar mengalir pada kawat netral dari generator ke arah generator. Seringnya relay differensial yang digunakan untuk proteksi hubung singkat tiga fasa atau hubung singkat antar fasa pada belitan stator tidak dapat mendeteksi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah. Sehingga dibutuhkan relay yang dapat untuk mendeteksi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah. Nilai setting dari pickup dari relay 51N di-set diantara 10% hingga 40% dari arus maksimum hubung singkat ke tanah pada stator. Untuk penentuan kurva, disesuaikan dengan kurva eksisting yang ada pada sistem.

2.2.4 Relay Loss Of Field (40)

Relay 40 ini merupakan relay yang berfungsi khusus untuk mendeteksi hilangnya eksitasi yang terdapat pada generator. Relay Loss of Field merupakan relay jarak yang dipasang pada terminal dari generator untuk mengawasi kondisi generator. Relay di-setting untuk dapat mendeteksi kondisi generator ketika kekurangan eksitasi hingga bahkan kehilangan sama sekali eksitasi.

Cara kerja relay loss of field adalah dengan mengukur impedansi. Relay merupakan satu elemen relay jarak mho satu fasa dengan offset.

(34)

13

Pada diagram R-X, relay akan membentuk lingkaran karakteristik trip relay. Impedansi yang terukur akan dianggap sebagai gangguan ketika impedansi memasuki lingkaran yang telah di-set.

Sistem eksitasi pada generator befungsi untuk menyediakan medan magnet untuk generator untuk tetap berada dalam kondisi sinkron dengan sistem. Ketika dalam kondisi kehilangan eksitasi, generator sinkron akan mengalami overspeed dan beralih fungsi menjadi generator induksi. Dengan terjadinya overspeed pada generator, generator akan kehilangan sinkron dengan sistem.

Kejadian hilangnya eksitasi ini dapat berakibat masif. Walaupun generator ketika beralih fungsi dari sinkron menjadi induksi tetap menghasilkan daya aktif ke sistem, generator akan mendapatkan eksitasinya dari sistem dalam betuk VAR. Sistem akan kehilangan suplai daya reaktif dan akan dapat berakibat pada turunnya level tegangan pada sistem. Lalu apabila terdapat generator lain yang terparalel dengan generator yang bermasalah, performa dari generator lainnya juga akan terganggu.

Pada standar yang dipublikasikan oleh IEEE terdapat standar setting untuk relay loss of field untuk kondisi generator sinkron yang kehilangan eksitasi pada rotornya. Standar setting tersebut menggunakan dua elemen relay jarak mho dengan offset negatif. Kedua elemen tersebut di-set dengan nilai setting yang berbeda diantara kedua elemennya.

Pada relay loss of field umumnya terdapat tiga parameter yang di-setting. Pertama adalah Circle Diameter, parameter setting ini diatur untuk menentukan nilai impedansi pickup. Ketika relay mendeteksi impedansi didalam diameter, relay akan mendeteksi sebagai gangguan. Kedua adalah offset, nilai ini diatur untuk menentukan jarak titik tengah lingkaran mho dengan titik nol sumbu reaktansi (Sumbu Y/Vertikal). Yang ketiga adalah time delay, parameter ini untuk menentukan durasi waktu antara relay mendeteksi gangguan hingga relay mengoperasikan sinyal.

Untuk standar setting yang telah dipublikasikan oleh IEEE, relay loss of field elemen pertama diatur dengan besar circle diameter senilai

(35)

14

dengan besar reaktansi sinkron dari generator (Xd). Lalu nilai setting dari offset sebesar setengah dari besar reaktansi transien direct axis dari mesin (X’d). Time delay yang digunakan adalah 0.5 detik hingga 0.6 detik, untuk mencegah relay bekerja saat sistem bekerja saat sistem dalam kondisi swing.

Gambar 2.4 Skema Setting Relay Loss of Field [1]

Pada setting elemen loss of field kedua diatur dengan lebar lingkaran impedansi sebesar 1 p.u. dari base generator. Proteksi ini biasanya dapat mendeteksi kondisi rotor yang kehilangan medan saat kondisi full load hingga terbebani 30%. Delay waktu yang digunakan pada relay mho kedua ini adalah 0.1 detik. Offset yang digunakan untuk elemen mho ini sama dengan setting mho sebelumnya.

(36)

15

2.2.5 Relay Arus Urutan Negatif (46)

Relay 46 ini berfungsi khusus untuk mendeteksi arus urutan negatif yang mengalir pada terminal generator. Cara kerja dari relay ini hampir sama seperti relay arus lebih (50/51), namun pada relay 46 memiliki perbedaan sedikit pada urutan arusnya. Relay 46 hanya men-sensing arus urutan negatif.

Arus yang tidak seimbang pada sistem sangat mungkin terjadi. Kebanyakan arus yang tidak stabil diakibatkan oleh pembebanan asimetris (pembebanan hanya pada beberapa fasa saja, tidak semua), Jaringan transmisi yang tidak di transpose, atau hingga hubung singkat yang dapat menyebabkan arus tidak seimbang.

Arus yang tidak seimbang yang mengalir di sistem menghasilkan arus urutan negatif (I2). Arus urutan negatif yang mengalir di sistem akan kembali lagi ke generator, dan akan menyebabkan torsi yang arahnya berlawanan arah dengan putaran generator. Torsi tersebut akan membuat generator kehilangan beberapa daya listrik yang di produksinya.

Generator memiliki kemampuan untuk bertahan dari arus urutan negatif dalam kondisi kontinu dan dalam waktu terbatas. Kemampuan generator tersebut dijelaskan pada IEEE std C50.12, IEEE Std C50.13, dan IEC 60034-1. Kemampuan generator tersebut berbeda-beda untuk tiap tipe generatornya. Untuk batas arus urutan negatif yang diperbolehkan untuk generator berupa persentase arus urutan negatif dengan arus total yang mengalir pada stator. Sedangkan untuk kemampuan generator untuk waktu yang terbatas menggunakan kurva karakteristik.

Generator dapat bertahan tanpa ada kerusakan saat terdapat arus urutan negatif secara kontinu dibawah nilai tertentu. Pada generator yang beroperasi pada rating kVA-nya dan arus pada stator tidak melebihi 105% dari rating generator tersebut, generator dapat menampung arus urutan negatif sebesar jumlah persentase dari jumlah arus yang mengalir pada stator. Untuk spesifikasi persentase jumlah arus urutan negatif tiap per-generator berbeda-beda seperti yang dijabarkan pada Tabel 2-1

(37)

16

Tabel 2-2 Besar arus urutan negatif yang diperbolehkan [1]

Tipe Generator Besar I2 yang diperbolehkan (%)

Rotor Salient Pole 10

Dengan kumparan peredam 10 Tanpa kumparan peredam 5 Rotor Silinder

Peninginan tidak langsung 10 Pendinginan langsung

< 350 MVA 8

351MVA - 1250MVA 8-(MVA-350)/300 1250 MVA – 1600 MVA 5

Generator memiliki kurva karakteristik untuk bertahan dari arus urutan negatif ketika arus tersebut lebih tinggi dari yang dijelaskan pada Tabel 2-1 pada waktu yang terbatas. Untuk kemampuan tiap tipe generator dijelaskan menggunakan persamaan berikut

𝐼22𝑡 = 𝐾

Dimana K merupakan konstanta kapabilitas generator, I2 merupakan arus urutan negatif dalam satuan p.u, dan t adalah waktu maksimum yang diperbolehkan. Nilai kapabilitas generator tersebut berbeda untuk setiap generatornya, dan untuk tiap tipe generatornya dijabarkan dalam tabel berikut.

Tabel 2-3 Besar konstanta K untuk generator [1]

Tipe Generator Besar K yang

diperbolehkan

Salient pole 40

Synchronous condenser 30

Rotor Silinder

Pendinginan tidak langsung 30 Pendinginan langsung

(0 - 800MVA) 10

(38)

17

Gambar 2.5 Nilai konstanta K untuk generator rotor silinder

801MVA-1600MVA

Setting pada relay 46 ini terdapat beberapa parameter sebagai setting. Pertama adalah pickup, pickup ini adalah besar arus urutan negatif yang dianggap sebagai gangguan, ketika nilai arus urutan negatif pada terminal generator lebih tinggi dibandingkan nilai setting ini relay mengklasifikasikan arus tersebut sebagai gangguan.

Setting berikutnya merupakan yang berhubungan dengan waktu jeda antara pickup hingga relay mengoperasikan sinyal. Untuk relay tipe elektromekanik, besarnya time dial dan jenis kurva waktu inverse disesuaikan dengan kurva kapabilitas (K) dari generator. Untuk relay statis dan relay digital, kebanyakan untuk kurva waktu invers dari relay sudah disesuaikan dengan kurva kapabilitas (K) dari generator.

Untuk relay statis dan digital terdapat beberapa parameter setting tambahan. Pertama adalah waktu maksimum operasi relay, ini adalah jeda waktu maksimum yang dibutuhkan relay untuk bekerja. Yang kedua adalah Waktu reset, ini adalah waktu yang dibutuhkan relay untuk dropout dari nilai pickup

Standar setting untuk pickup ketika yang digunakan adalah relay elektromekanik adalah sebesar 0.6 p.u. dari rating arus. Pengaturan time

(39)

18

dial untuk relay elektromekanik ini menyesuaikan dengan kurva kapabilitas dari generator tersebut.

Ketika relay yang digunakan adalah relay digital, arus pickup dari relay diatur sebesar dengan arus urutan negatif yang dapat ditahan oleh generator secara kontinu dan dengan nilai minimum pickup sebesar 0,04 PU. Untuk setting dari time dial relay digital yang memiliki kurva waktu invers yang sama dengan kurva kapabilitas generator, disesuaikan dengan besar Konstanta kapabilitas dari generator tersebut. Namun dengan catatan, waktu operasi dari relay 46 ini tidak beroperasi lebih cepat dari relay utama yang memroteksi arus fasa generator.

Untuk parameter setting tambahan yang dimiliki oleh relay statis dan relay digital yang memiliki kurva invers yang sama dengan kurva kapabilitas dengan generator juga diatur pada standar yang dipublikasikan oleh IEEE. Untuk waktu maksimum operasi relay, diatur sebesar selama-lamanya adalah 990 detik. Lalu untuk pengaturan waktu reset tipikalnya adalah seelama 240 detik.

2.2.6 Relay Directional Power (32)

Relay 32 ini adalah relay yang bekerja khusus untuk mendeteksi kegagalan dengan cara mendeteksi arah daya pada generator. Relay mendapatkan nilai dan arah daya dari CT dan besar nilai dan arah tegangan dari PT, lalu relay akan mengoperasikan sinyal ketika nilai, dan atau arah daya tidak sesuai dengan seharusnya.

Relay 32 ini berguna untuk mengatasi keadaan generator ketika motoring. Motoring adalah jenis kondisi abnormal dimana fungsi dari generator berubah menjadi motor. Kondisi ini dapat terjadi ketika sumber energi prime-mover dimatikan ketika generator dalam kondisi online. Untuk kasus pada generator sinkron, hal ini dapat terjadi ketika sumber energi dari prime mover menghilang, tetapi rotor masih memasok medan dan stator masih terhubung dengan sistem.

Kondisi motoring ini sebenarnya dapat tidak merusak generator. Proteksi motoring ini ditujukan untuk perlindungan terhadap prime mover. Dalam kondisi motoring, prime mover yang masih porosnya masih tersambung dengan generator (yang telah berubah fungsi jadi motor)

(40)

19

dapat rusak karena pengoperasian yang tidak sesuai bahkan ada kemungkinan kondisi motoring membuat prime mover berputar melebihi kecepatan rating.

Tabel 2-4 Kemampuan Motoring Generator Berdasarkan Tipe Prime

Mover [8]

Tipe prime mover Kemampuan motoring dari persentasi rating (%)

Turbin Gas

Single Shaft 100

Double Shaft 10-15

Mesin Diesel Four Cycle 15 Mesin Diesel Two Cycle 25

Turbin Hidrolik 2-100

Turbin Uap (Konvensional) 1-4 Turbin Uap (Condensed Cooled) 0.5-1.0

Pada relay directional power selalu dilengkapi dengan elemen time delay. Untuk time delay yang digunakan sebagai setting, biasanya dikoordinasikan dengan kemampuan motoring dari prime-mover. Biasanya di set dengan delay sebesar 30 detik untuk turbin uap, dan delay 60 detik untuk prime mover lainnya.

Untuk penggunaan relay directional power sebagai perlindungan dari kondisi motoring, perintah trip relay harus diberikan ke breaker dari rangkaian medan dan breaker dari generator itu sendiri. Karena pada kondisi motoring masih terdapat medan pada rotor, generator akan tetap pada kecepatan sinkron dan berubah menjadi motor sinkron. Lalu, ketika hanya memberikan perintah trip ke belitan medan saja tanpa memberikan perintah trip ke main breaker dari generator, generator akan tetap melakukan motoring, dan berubah dari generator menjadi motor induksi.

2.2.7 Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restrained (51V)

Relay 51V merupakan relay arus lebih yang bekerja dengan bantuan relay tegangan. Hampir sama dengan relay 51, namun memiliki perbedaan dengan cara kerjanya. Relay 51V didesain untuk bekerja dalam

(41)

20

kondisi tegangan tertentu. Relay 51V terdapat dua jenis operasi, yaitu voltage restrained (51VR), dan Voltage Control (51VC).

Dalam mode voltage control relay arus lebih akan mulai mengawasi nilai arus ketika relay men-sensing tegangan dibawah dari nilai pickup tegangan dari 51VC. Untuk mode voltage restrained, nilai pickup dari relay arus lebih akan berubah-ubah secara linear dengan perubahan dari nilai tegangan. Nilai yang di-set untuk pickup arus ditujukan untuk kondisi tegangan nominal. Ketika tegangan turun menjadi 25% dari nominal, besar nilai pickup arus juga akan turun sebesar 25% dari nilai arus yang di-set.

Pada proteksi generator, relay 51V berfungsi sebagai proteksi backup untuk mengatasi gangguan yang belum dapat diisolir pada sistem. Relay berfungsi untuk mendeteksi gangguan eksternal dari generator yang disebabkan oleh gagal bekerjanya sistem proteksi pada sistem. Relay 51V didesain untuk mendeteksi arus hubung singkat yang belum teratasi.

Relay arus lebih biasa tidak bisa mengatasi gangguan tersebut karena pada kasus gangguan hubung singkat yang terjadi pada sistem nilai arus hubung singkat akan berada dibawah dari nilai arus full-load generator. Hal tersebut terjadi dikarenakan ketika melewati masa transien dan relay gagal mengatasi masalah di masa transien tersebut, nilai arus hubung singkat akan menurun karena impedansi dari generator akan meningkat dari impedansi sub transien, transien, hingga sinkron. Sehingga relay arus lebih biasa tidak dapat diandalkan untuk mengatasi masalah seperti ini.

Relay 51V merupakan relay arus lebih dengan tambahan pengawasan dari relay tegangan. Sehingga relay 51V dapat mengatasi gangguan dengan cara memerintahkan sinyal trip ketika tegangan pada zona generator sudah turun dibawah dari nilai tertentu dan nilai arus sudah melewati nilai tertentu. Sehingga dapat mengatasi kondisi gangguan yang sudah berlangsung lama dimana tegangan akan tetap dalam nilai yang rendah, dan arus gangguan juga akan berangsur menurun.

Relay arus lebih yang digunakan pada relay 51V ditujukan untuk bekerja dalam kondisi ketika generator berada dalam kondisi undervoltage. Dalam keadaan terburuk, dimana generator beroperasi

(42)

21

dibawah tegangan nominal dan dalam kondisi overload, relay overcurrent biasa tidak akan bisa mendeteksi gangguan ini. Karena ketika gangguan tidak terdeteksi secara dini, besar arus hubung singkat yang mengalir akan berada dibawah nilai arus rating normal generator. Hal tersebut terjadi dikarenakan ketika melewati masa transien dan relay gagal mengatasi masalah, nilai arus hubung singkat akan didapat dengan reaktansi sinkron dari generator.

Keadaan semacam ini kemungkinan kecil terjadi, sehingga relay 51V dapat dikatakan sebagai relay untuk proteksi cadangan. Karena relay hanya bekerja ketika dibawah tegangan tertentu. Proteksi menggunakan relay ini bertujuan untuk mengatasi keadaan gangguan dimana terjadi hubung singkat tiga fasa yang sudah berlangsung lama, dan sudah berada pada kondisi steady state.

Ketika sistem sudah dalam keadaan steady state dalam kondisi hubung singkat tiga fasa, Arus yang mengalir pada terminal generator akan rendah. Arus yang mengalir pada generator akan berada pada dibawah dari tingkat full load dari generator. Namun, hubung singkat yang terjadi akan mengakibatkan turunnya tegagan secara drastis.

Untuk Relay 51V terdapat beberapa parameter setting. Pertama hampir sama dengan relay overcurrent lainnya, yaitu pickup, nilai arus yang diatur sebagai arus gangguan. Relay akan menganggap adanya gangguan, ketika arus melebihi arus yang telah diatur. Setting kedua adalah characteristic curve, ini merupakan pengaturan kurva jeda waktu yang digunakan untuk menentukan waktu relay mengoperasikan sinyal setelah mendapatkan nilai arus melebihi pickup. Ketiga adalah timedial, parameter ini merupakan koefisien tambahan yang mengatur jeda waktu hingga beroperasinya sinyal selain dari urva karakteristik. Yang ketiga adalah pemilihan relay menggunakan mode voltage restraint, atau mode Voltage control.

Ketika mode voltage control dipilih, terdapat parameter tambahan untuk menentukan tegangan. Parameter tersebut berfungsi sebagai pengaktif dari fungsi relay overcurrent. Ketika nilai tegangan dibawah nilai yang telah di-set, relay overcurrent mulai aktif mengawasi nilai arus dan akan mulai mengoperasikan sinyal setelah nilai arus diatas pickup dan

(43)

22

melewati jeda waktu yang terhitung berdasarkan setting dari time dial dan kurva karakteristik waktu. Untuk mode voltage restraint, nilai pickup akan selalu berubah linear dengan perubahan nilai tegangan pada generator.

Untuk skema proteksi menggunakan relay 51V akan terdapat dua jenis, yaitu menggunakan mode voltage controlled, atau voltage restrained. Apabila mode voltage controlled yang dipilih nilai pickup arus di-set sebesar 50% dari besar nilai arus full-load dari generator. Lalu nilai pickup tegangan pada 75% dari nilai tegangan nominal dari generator. Apabila mode voltage restrain yang dipilih, besar nilali pickup arus di-set sebesar 150% dari arus full-load dari generator.

Selain pengaturan pickup, terdapat pula pengaturan time dial dan kurva waktu. Namun untuk pengaturan dua ini harus dikoordinasikan dengan kurva waktu dari relay yang dipasang pada peralatan lainnya, sehingga tidak terjadi mis-koordinasi.

(44)

23

BAB 3

DATA GENERATOR DAN SISTEM

3.1 Generator

1.5 MVA (MVAG)), 11 kV (line to line), 6350kV (line to ground), 78,7 A, 0.8 pf, 3-phase, 50Hz, 1500RPM

Generator Sinkron dengan rotor silinder, dengan prime mover mesin diesel

Reaktansi Sinkron direct axis (Xd) = 1,5912 p.u. / 128,3604 Ω Reaktansi jenuh transien direct axis (X’d) = 0,1574 p.u. / 12,7008 Ω Reaktansi jenuh sub-transien (X’’d) = 0,1429 p.u. / 11,5248 Ω Reaktansi urutan negatif (X2) = 0.1356 p.u / 10,9364 Ω Reaktansi urutan nol (X0) = 0.0175 p.u / 1,4112 Ω

Neutral Grounding Resistor membatasi maksimum 100 Ampere Generator dioperasikan dalam mode operasi Swing

3.2 Sistem

Generator 2x1.5 MVA yang akan diproteksi dipasang pada sistem 11kV. Generator dihubung kan pada bus 11kV-Bus-3 melalui transformator seperti yang terdapat pada gambar 3.1 dan untuk Single Line Diagram lengkap terdapat pada lampiran 1.

3.3 Spesifikasi Fungsi Proteksi Relay

Relay yang akan digunakan untuk penerapan hasil perhitungan setting adalah relay Beckwith Electric M-3425A dengan spesifikasi per fungsi proteksi sebagai berikut

3.3.1 Relay Proteksi Belitan Medan (64F)

Relay proteksi belitan medan pada relay M-3425A menggunakan injeksi sinyal kotak AC 5V. Relay akan mendeteksi nilai resistansi diantara belitan medan dan bodi generator. Pada kutub positif dan negatif dari medan generator akan dihubungkan dengan injektor sinyal kotak dan

(45)

24

relay akan mendapatkan nilai dari injektor tersebut. Relay akan mendeteksi gangguan ketika nilai resistansi yang terbaca dibawah dari nilai pickup CTG-1 STG-1 STG-2 CTG-2 CTG-3 GEG-RENT-3 GEG-RENT-1 GEG-RENT-2 1APD-XF-1 1APD-XF-2 1APC-XF-2 1APC-XF-1 1APC-SUS-1 1APD-MCC-1 11kV BUS-1 11kV BUS-2 11kV BUS-3 X1-3 X2-3 CAP1 030-SG-001 #1 #2 #3 #PTS DEG-3 Xa Xb 0.4 kV Bus-Boiler 60TPH 1APF-XF-2 0.4 kV 11 kV 3.3 kV CAP2 11/6 kV

Gambar 3.1 Posisi Generator pada Sistem

Tabel 3-1 Detil setting fungsi 64F

Fungsi Setpoint Increment Akurasi

Pickup #1, #2 5 – 100 KΩ 1 KΩ ±10% atau ±1KΩ

Time Delay* 1 – 8160 Cycle 1 Cycle ±(2/IF + 1) Detik

Frekuensi Injeksi (IF)

0,1 - 1,00 Hz 0,01 Hz

3.3.2 Relay Arus Differensial (87)

Pada relay yang digunakan untuk memroteksi generator, relay arus differensial yang digunakan dalam bentuk variable slope differential. Relay yang berhubungan dengan fungsi 87 terhubung dengan CT akan mendeteksi arus diferensial dan arus restrain. Relay akan mendeteksi sebagai gangguan ketika perbandingan arus differensial dan arus restrain lebih besar dari slope setting

(46)

25

Tabel 3-2 Detil setting fungsi 87

Fungsi Setpoint Increment Akurasi

Pickup #1, #2 0,20A - 3,00A 0,01A ±0,1A atau ±5% (0,04A - 0,60A) (±0,02A atau ±5%)

Slope 1 – 100% 1% ±2%

Time Delay* 1 – 8160 Cycle 1 Cycle ±1Cycle atau ±1%

Koefisien Koreksi CT**

0,50 - 2,00 0,01 +1 - -2 Cycle atau ±1%

*Ketika delay 1 cycle dipilih, waktu respon relay diantara ½ hingga 1 cycle

**Koefisien koreksi CT dikali dengan IA,IB, dan IC

3.3.3 Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N)

Relay arus lebih dengan jeda waktu yang tersedia pada relay memiliki banyak pilihan kurva waktu. Fungsi 51N berguna untuk mendeteksi arus hubung singkat ke tanah ada stator generator. Relay akan membaca nilai arus yang terbaca dari CT yang terpasang pada netral dari generator. Relay akan mendeteksi sebagai arus gangguan ketika arus yang mengalir diatas dari nilai pickup.

Tabel 3-3 Detil setting fungsi 51N

Pickup 0,25 – 12,00 A 0,01 A ±0,1 A atau ± 1% (0,05 – 2,40)*_A _{(±0,02 A atau} ±1%)* Kurva Karakteristik

Definite Time/ Inverse/Very Inverse/Extremely Inverse (Kurva IEC)

Moderately Inverse/Very Inverse/Extremely Inverse (Kurva IEEE)

(47)

26

Time Dial 0,5 – 11,0 0,1 ±3 Cycle atau ±3%** 0,05 – 1,10 (Kurva IEC) 0,01 0,5 – 15,0 (Kurva IEEE) 0,01

*_{Nilai digunakan untuk setting sekunder CT sebesar 1A} **_{Akurasi timing untuk kurva IEC adalah ±5%}

Ketika frekuensi <(fnom-5)Hz jeda waktu ditambahkan sebesar (1,5f - 0,33) detik ke akurasi waktu

3.3.4 Relay Loss of Field (40)

Relay Loss of Field pada relay yang digunakan merupakan dua elemen relay mho dengan offset. Relay akan mendeteksi impedansi pada generator dengan cara mengalkulasi nilai arus dan tegangan dari CT dan VT yang terpasang untuk pengukuran. Relay akan mendeteksi sebagai gangguan ketika nilai yang dihitung oleh relay masuk kedalam zona setting.

Fungsi Setpoint Increment Akurasi Diameter mho #1,#2 0,1 – 100,0 Ω 0,1 Ω ±0,1 Ω atau ±5% (0,5 – 500,0 Ω) (±0,5 Ω atau ±5%) Offset #1, #2 -50,0 – 50,0 Ω 0,1 Ω ±0,1 Ω atau ±5% ±0,5 Ω atau ±5% Time Delay #1, #2

1 – 8160 Cycle 1 Cycle ±1 Cycle atau ±1%

Time Delay dengan kontrol tegangan

(48)

27

Fungsi Setpoint Increment Akurasi Kontrol Tegangan (urutan positif) 5 – 180 V 1 V ±0,5V atau ±0,5% Directional Element 0o _{– 20}o ₁o _-

Time Delay dengan kontrol tegangan untuk setiap zona mho dapat diaktifkan secara terpisah.

3.3.5 Relay Arus Lebih Urutan Negatif (46)

Relay arus lebih urutan negatif merupakan relay arus lebih yang mendeteksi gangguan hanya ketika terdapat arus urutan negatif pada generator. Relay mendeteksi adanya gangguan ketika nilai arus urutan negatif yang didapat dari sisi terminal generator lebih tinggi dibandingkan nilai arus pickup setting.

Fungsi Setpoint Increment Akurasi Waktu Definit

Pickup* 3 – 100% 1% ±0,5% dari 5A (±0,5% untuk 1A)

Time Delay 1 – 8160 Cycle 1 Cycle ±1 Cycle atau ±1% Inverse Time Pickup* 3 – 100% 1% ±0,5% dari 5A (±0,5% untuk 1A) Time Dial Setting 1 – 95 1 ±3 Cycle atau ±3% (K=I22t) Waktu Definit Maksimum Trip 600 – 65.500 Cycle

1Cycle ±1 Cycle atau ±1%

Waktu Definit Minimum

(49)

28

Fungsi Setpoint Increment Akurasi Waktu Reset

(linear)

1 – 600 Detik (Dari batas trip)

1 Detik - *Nilai Pickup berdasarkan persenan arus nominal generator

3.3.6 Relay Directional Power (32)

Relay directional power berfungsi untuk mendeteksi arah daya yang mengalir pada terminal generator. Dari arah daya yang dibaca dari nilai arus dari CT dan tegangan dari VT ditentukan arah daya. Relay di-set untuk mendeteksi gangguan berupa kondisi abnormal motoring. Sehingga relay akan bekerja ketika arah daya yang mengalir berubah. Awalnya keluar dari generator menjadi masuk ke generator.

Fungsi Setpoint Increment Akurasi Pickup #1,#2,#3 -3,000 - +3,000 PU 0,001 PU ±0,002 PU atau ±2% Time Delay #1, #2, #3

1 – 8160 Cycle 1 Cycle ±16 Cycle atau ±1% Batas nilai minimum pickup adalah -0,002 dan +0,002

*Nilai pickup berdasarkan nilai tegangan nominal dari VT, dan nilai arus nominal pada CT. Fungsi dari relay ini dapat dipilih dalam kondisi overpower atau underpower untuk kedua kondisi pickup, negatif ketika arah tenaga ke generator, dan positif apabila arah daya dari generator). **Elemen #3 Dapat diatur nilai pickup berupa daya aktif atau daya reaktif.

3.3.7 Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restrained (51V)

Fungsi 51V berfungsi untuk mendeteksi adanya arus lebih yang mengalir pada terminal generator. Arus yang dibaca oleh relay didapatkan dari nilai CT. Relay berfungsi untuk skema proteksi hubung singkat cadangan pada sistem. Karena letak relay berada pada sisi hilir pada aliran daya, relay 51V dilengkapi dengan relay tegangan untuk mendeteksi nilai tegangan pada generator. Relay akan bekerja ketika arus yang mengalir

(50)

29

melebihi nilai pickup dan nilai tegangan pada generator dibawah nilai tertentu sesuai dengan mode operasi relay 51V yang digunakan.

Tabel 3-7 Detil setting fungsi 51V

Fungsi Setpoint Increment Akurasi

Pickup 0,50 – 12,00 A 0,01 A ±0,1 A atau ±1%

Kurva Karakteristik

Definite Time/ Inverse/Very Inverse/Extremely Inverse (Kurva IEC)

Moderately Inverse/Very Inverse/Extremely Inverse (Kurva IEEE)

Time Dial 0,5 – 11,0 0,1 ±3 Cycle atau ±3% 0,05 – 1,10 (Kurva IEC) 0,01 ±5% 0,5 – 15,0 (Kurva IEEE) 0,01 Voltage Control (VC) 5 – 180 V 1 V ±0,5V atau ±0,5% Atau Voltage Restraint (VR) Linear - -

(51)

30

(52)

31

BAB 4

PERHITUNGAN SETTING RELAY

Perhitungan yang dilakukan oleh generator merupakan perhitungan yang dilakukan untuk diterapkan pada generator yang sudah dijelaskan padabab sebelumnya. Perhitungan setting relay akan mencakup proteksi untuk unit generator.

4.1 Relay Proteksi Belitan Medan (64F)

Pengoperasian generator yang akan diproteksi begantung dengan adanya eksitasi medan yang ada pada rotor. Ketika pada belitan medan terdapat hubung singkat ke tanah, nilai eksitasi yang dihasilkan akan mengalami pengurangan, dan selain itu dapat juga menyebabkan medan eksitasi yang tidak merata. Ketika medan eksitasi tidak merata, generator akan mengalami getaran dan merusak mesin.

Skema proteksi untuk belitan medan yang disediakan oleh relay menggunakan injeksi sinyal kotak AC ke rangkaian medan. Relay akan mengirimkan injeksi sinyal kotak AC dengan frekuensi rendah bersamaan pada kutub positif belitan medan. Lalu pada kutub negatif dari belitan medan dan juga dengan ground dari badan mesin dihubungkan pada sensor pada relay. Relay akan mengkalkulasi besarnya arus yang bocor dari belitan medan ke badan generator.

Relay 64F terdapat tiga nilai untuk diatur. Frekuensi injeksi, nilai resistansi pickup, dan waktu delay. Frekuensi injeksi merupakan frekuensi sinyal kotak AC yang diinjeksikan.

Besar nilai frekuensi injeksi yang akan di-set diatur pada standar IEEE. Besar nilai frekuensi injeksi berkisar antara 0.1Hz hingga 1Hz. Selain itu, besar nilai untuk setting pickup dan delay juga sudah diatur pada standar [1] [14]. Sesuai dengan standar yang telah dipublikasikan setting untuk pickup resistansi dan jeda waktu pertama sebesar 20KΩ dengan besar delay 600 cycle, dan relay mengaktifkan fungsi alarm. Lalu untuk pengaturan kedua, proteksi saat kritis, setting pickup, dan delay kedua di-set sebesar 5KΩ untuk pickup, dan 300 cycle untuk pengaturan delay waktunya.

(53)

32

Sehingga setting untuk pengaturan relay untuk proteksi hubung singkat tanah pada rotor generator adalah

Elemen #1 Pickup : 20K Ω Slope : 600 cycles Elemen #2 Pickup : 5K Ω Slope : 300 cycles

4.2 Relay Arus Diferensial Fasa (87)

Relay differensial dengan variable slope (87) utamanya digunakan untuk proteksi gangguan fasa untuk internal stator. Nilai pickup dan nilai slope yang digunakan harus diatur sesensitif mungkin untuk mendeteksi gangguan. Relay diferensial akan mendeteksi gangguan ketika besar arus yang masuk dan keluar dari CT yang diawasi tidak seimbang.

Relay 87 untuk proteksi gangguan fasa dari generator diatur untuk bekerja hanya untuk kondisi hubung singkat internal generator saja, dan tidak bekerja ketika terdapat gangguan diluar dari generator. Untuk memenuhi keutuhan tersebut terlebih dahulu diperlukan nilai besar arus dalam kondisi full load, arus hubung singkat ketika terjadi didalam generator, dan arus hubung singkat diluar generator.

Dalam kondisi ideal, dimana tidak terdapat hubung singkat didalam zona proteksi dari relay 87, arus differensial pada relay besarnya adalah nol. Namun karena terdapat adanya ketidak akuratan pada relay, besar arus diferensial tidak nol. Sehingga dalam perhitungan diasumsikan pada deviasi error terbesar. Pada CT yang dekat dengan terminal dari generator diasumsikan dengan error

(54)

33

positif. Pada CT yang dekat dengan netral dari generator diasumsikan dengan error negatif.

CT yang digunakan untuk proteksi dari generator adalah relay 250/5 dengan spesifikasi standar dari IEC dengan rating 10P5. Dimana rating 5P15 berarti CT merupakan CT untuk proteksi dan memiliki akurasi 5% dan memiliki kemampuan sampai dengan 15 kali dari rating.

Dalam kondisi normal (tidak terdapat hubung singkat) dan generator dalam keadaan full-load arus yang mengalir pada generator terdapat pada gambar 4.1 . Nilai arus yang terdapat pada gambar masih dalam nilai primer dari CT. Besar nilai arus pada sekunder CT untuk kedua CT adalah

𝐼1𝑠= 𝐼1𝑝 𝑅𝑎𝑠𝑖𝑜 𝐶𝑇𝑥(100 ± 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟)% =78.7 50 𝑥(100 + 5)% =78.7 50 𝑥105% = 1.574𝑥105% = 1.652 𝐴 4.1 𝐼2𝑠= 𝐼2𝑝 𝑅𝑎𝑠𝑖𝑜 𝐶𝑇𝑥(100 ± 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟)% =78.7 50 𝑥(100 − 5)% =78.7 50 𝑥95% = 1.574𝑥95% = 1.495 𝐴 4.2 Dimana I1p, I1s, I2p, I2s secara berurutan adalah nilai arus pada primer CT1, sekunder CT1, primer CT2, sekunder CT2.

(55)

34

Setelah mendapatkan nilai arus pada sekunder CT, dapat dicari selanjutnya besar nilai arus diferensial (Idiff), arus restrain (Irestrain), dan slope dalam kondisi normal. Nilai-nilai tersebut didapatkan dengan cara berikut 𝐼𝑑𝑖𝑓𝑓 = |𝐼2𝑠−𝐼1𝑠| = |1.495 − 1.652| = |−0.157| = 0.157𝐴 4.3 𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 = |𝐼2𝑠+𝐼1𝑠| 2 =|1.495 + 1.652| 2 =3.147 2 = 1.573 𝐴 4.4 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 = 𝐼𝑑𝑖𝑓𝑓 𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝑥100% =0.157 1.573 𝑥100% = 0.099𝑥100% = 9,9% 4.5 Dilakukan pula perhitungan yang sama untuk semua kondisi gangguan yang disebutkan sebelumnya. Dilakukan perhitungan yang untuk kondisi gangguan external baik hubung singkat 3 fasa ataupun 2 fasa. Selain itu dihitung pula saat hubung singkat 3 fasa dan 2 fasa pada internal generator. Nilai arus pada kondisi-kondisi tersebut terdapat pada gambar 4.2 dan gambar 4.3

(56)

35

Gambar 4.1 Nilai saat full load

Menggunakan cara perhitungan yang sama, besar nilai arus diferensial (Idiff), arus restrain (Irestrain), dan slope dalam kondisi gangguan eksternal berupa hubung singkat 3 fasa adalah

𝐼𝑑𝑖𝑓𝑓= 1.406 𝐴 𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 = 14.06 𝐴

𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 = 10%

4.6

Lalu untuk gangguan hubung singkat 2 fasanya adalah 𝐼𝑑𝑖𝑓𝑓= 1.04 𝐴

𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛= 10.4 𝐴 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 = 10%

(57)

36

(a) (b)

(a) Arus hubung singkat 3 fasa (b) Arus hubung singkat 2 fasa

Gambar 4.2 Arus saat hubung singkat eksternal.

Saat gangguan hubung singkat internal dihitung juga dengan cara yang sama, sehingga ketiga nilai tersebut untu hubung singkat tiga fasa adalah

𝐼𝑑𝑖𝑓𝑓= 65.647 𝐴 𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 = 19.466 𝐴

𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 = 337 %

(58)

37

Lalu untuk gangguan hubung singkat 2 fasanya adalah 𝐼𝑑𝑖𝑓𝑓= 55.03 𝐴

𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 = 17.635 𝐴 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 = 312 %

4.9

(a) (b)

(c) Arus hubung singkat 3 fasa (d) Arus hubung singkat 2 fasa

Gambar 4.3 Arus saat hubung singkat internal

Hasil perhitungan-perhitungan tersebut dibutuhkan untuk menentukan setting yang akan diterapkan pada relay 87 untuk mendeteksi gangguan fasa pada internal generator. Dari hasil perhitungan-perhitungan tersebut dijadikan satu dalam satu tabel dalam tabel 4-1

(59)

38

Tabel 4-1 Hasil perhitungan semua kondisi hubung singkat

Parameter Normal External Fault Internal Fault 3-phase 2-phase 3-phase 2-phase

Idiff (A) 0.157 1.406 1.04 65.647 55.03

Irestrain (A) 1.573 14.06 10.4 19.466 17.635

Slope 9.9% 10% 10% 337% 312%

Relay 87 variable slope bekerja ketika besar Idiff yang terdapat pada relay melebihi dari nilai pickup arus dari relay. Selain itu, nilai slope berada diatas dari nilai slope setting relay.

Pada relay yang digunakan untuk mendeteksi gangguan pada generator untuk fungsi 87 terdapat empat parameter setting yang harus diatur. Pertama adalah arus pickup, dimana arus pickup adalah nilai batas Idiff yang dianggap sebagai arus gangguan. Ketika Idiff berada diatas nilai arus pickup relay akan mendeteksi gangguan. Namun ketika Idiff sudah melebihi dari nilai pickup relay tidak langsung bekerja, karena mendeteksi parameter setting kedua yaitu slope. Definisi dari slope sama seperti dengan perhitungan, yaitu besar nilai perbandingan antara Idiff dan Irestrain dalam persen. Ketika besar slope yang mengalir pada relay berada diatas dari nilai setting slope, relay akan mendeteksi sebagai gangguan. Parameter setting ketiga adalah time delay, setelah relay mendeteksi adanya gangguan dari nilai arus yang mengalir ke relay dilihat dari besar nilai Idiff dan nilai slopenya, relay akan bekerja setelah waktu yang di-set pada time delay. Pada relay 87 yang digunakan, terdapat setting ke-empat yaitu CT Correction. Dimana setting ini berfungsi untuk mengoreksi nilai arus yang mengalir dari kedua CT ketika terdapat perbedaan rasio CT ataupun perbedaan nilai arus ketika kondisi normal.

Relay 87 di-set untuk bekerja ketika terdapat gangguan hubung singkat fasa pada stator generator. Relay di-set dengan cara mengatur arus pickup diatas dari nilai Idiff maksimal diantara kondisi normal dan gangguan external tetapi masih dibawah dari nilai Idiff saat gangguan internal. Untuk nilai setting slope dari relay dipilih nilai yang lebih rendah dari slope internal fault dan lebih tinggi dari nilai maksimal diantara normal dan external fault.