1 Abstrak - Proteksi terhadap sistem kelistrikan serta peralatannya adalah hal yang sangat dibutuhkan dalam industri. Sistem proteksi berperan penting dalam mendeteksi adanya gangguan dan dapat mencegah kerusakan yang diakibatkan gangguan. Koordinasi sistem proteksi yang baik akan mengisolasi daerah gangguan dan mencegah pemadaman di daerah lain. Hal ini dapat meningkatkan keandalan sistem dengan menjaga kontinyuitas suplai pada beban. Untuk menjaga dan meningkatkan performa sistem proteksi perlu dilakukan suatu studi terhadap koordinasi rele pengaman yang terpasang. Tugas Akhir ini bertujuan untuk menyajikan analisis terhadap koordinasi rele pengaman pada Unit Pembangkit PLTU dan PLTG PT.PJB GRESIK. Dari dua tipikal koordinasi yang dianalisis dapat diketahui bahwa ada beberapa kesalahan koordinasi pada setelan (setting)
pick-up dan time delay. Dari hasil analisis dalam tugas akhir ini,
direkomendasikan melengkapi peralatan pengaman khususnya pada pengaman generator, penyetelan ulang rele, dan penggantian sistem pentanahan menggunakan sistem pentanahan dengan impedansi (NGR).
Kata Kunci – Koordinasi, rele pengaman generator, gangguan
I . Pendahuluan
Dalam upaya melayani kebutuhan masyarakat Unit Pembangkit Gresik mengoperasikan PLTG 2 × 26 𝑀𝑀𝑀𝑀, PLTU 2 × 100 𝑀𝑀𝑀𝑀 dan 2 × 200 𝑀𝑀𝑀𝑀. PLTG dibangun pada tahun 1976.
PLTU 2 × 100 MW dibangun pada tahun 1981 sedangkan PLTU 2 × 200 𝑀𝑀𝑀𝑀 dibangun pada tahun 1987. Jadi umur pembangkit PLTG #1 dan #2 yaitu 35 tahun sedangkan PLTU #1 dan #2 berumur 30 tahun dan #3 dan #4 berumur 24 tahun. Sejak dibangun sampai saat ini sistem proteksi listrik pembangkit PLTU dan PLTG belum pernah di studi ulang apakah kelayakannya masih terjamin, dengan usia yang sudah lebih dari 20 tahun serta pertumbuhan pembangkit disekitarnya maka evaluasi terhadap sistem proteksi di PLTU dan PLTG mutlak diperlukan untuk menjamin keandalan dari sistem pembangkit secara keseluruhan. Untuk itu, dipandang perlu untuk melaksanakan “Studi Koordinasi Proteksi Sistem Unit Pembangkit Gresik, untuk memperoleh rekomendasi setting dan kelengkapan peralatan pengaman pada unit pembangkit sehingga dapat mencapai keandalan serta stabilitas yang layak.
II . Sistem Kelistrikan dan Evaluasi Peralatan Pengaman PLTG dan PLTU
Sistem kelistrikan di PT PJP UP Gresik dibagi kedalam dua blok, yaitu blok PLTU dan PLTG. Blok PLTU terdiri atas 4 pembangkit yaitu, pembangkit #1 dan #2 dengan kapasitas 100 MW dan pembangkit #3 dan #4 dengan kapasitas 200 MW. Blok PLTG hanya memiliki dua pembangkit yaitu, pembangkit #1 dan #2 26MW. Gambar di bawah ini akan menunjukkan single line diagram dari masing-masing blok.
Gambar 1. Single Line Diagram PLTG
Rifgy Said Bamatraf; Margo Pujiantara, Dedet Chandra Riawan Jurusan Teknik Elektro FTI ITS
Studi Koordinasi Proteksi Sistem
2
Gambar 2. Single Line Diagram PLTU Sistem pengaman yang lengkap dibutuhkan untuk
melindungi unit pembangkit PLTU dan PLTG, dengan begitu maka unit pembangkit dapat melayani kebutuhan masyarakat dengan baik.
Adapun terdapat peralatan pengaman yang digunakan untuk mengamankan masing-masing unit pembangkit. Jadi jika terjadi gangguan secara tiba-tiba maka peralatan pengaman dapat mengisolasi daerah terjadinya gangguan sehingga gangguan tidak menyebar ke peralatan yang lain [1]. Namun tidak semua peralatan pengaman pada PLTU dan PLTG dapat mengatasi semua gangguan yang mungkin terjadi, oleh karena itu dibuat perbandingan antara kelengkapan peralatan pengaman PLTU dan PLTG dengan standar IEEE. Berikut ini adalah tabel perbandingannya. Tabel 1. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTU dengan Standar IEEE
No. Function
Device No.
IEEE PLTU 1/2 PLTU 3/4 1 Voltage balance or loss of potential relay 60G 60G2 60G4
2
Volts/hertz overexcitation protection for the generator and its associated step-up and auxiliary transformers
24 v/f v/f
3
Frequency relay. Both under frequency and overfrequency protection may be required
81 95G-L / 95G-H
95G-L / 95G-H
4
Differential relay. Primary phase-fault protection for the generator
87G 87G 87G
5 Loss of field protection 40 40G 40G
6
Stator unbalanced current protection. Negative sequence relay
46 46G 46G
7
Voltage controlled or voltage-restrained time overcurrent relay. Backup for system and generator zone phase faults
51V 51VG -
Lanjutan Tabel 1. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTU dengan Standar IEEE
No. Function Device No.
IEEE PLTU 1/2 PLTU 3/4
8
Voltage relay. Primary protection for rotor ground faults
64F 64GE 64GE
9
Differential relay. Primary protection for GSU or UAT transformer
87T 87AT 87AT
10 Undervoltage relay 27 - -
11 Overvoltage protection 59 - -
12 Reverse-power relay. Motoring
protection 32 91A-91B -
13 Differential relay for overall
unit and transformer 87U 87GT 87GT 14 Main Transformer Neutral
Time overcurrent relay 51TN1 51NMT 51NMT 15 Generator neutral overvoltage 59GN 64G 64G
16
Time overcurrent relay. Provides backup protection for GSU ground faults
51TN2 51NAT 51NAT
17
Distance relay. Backup for system and generator zone phase faults
21 - 44
18 Stator thermal protection 49 - -
19 instantaneous overcurrent
relays 50 - -
20
Ground Fault Time overcurrent relays with instantaneous element
50/51GN - -
21 Time overcurrent relay 51 51AT 51AT
23 Transformer oil gas level 71 - -
3 Tabel 2. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTG dengan Standar IEEE
No. Function
Device No.
IEEE PLTG 1/2
1 Voltage balance or loss of potential relay 60G -
2
Volts/hertz overexcitation protection for the generator and its associated step-up and auxiliary transformers
24 -
3
Frequency relay. Both under frequency and overfrequency protection may be required
81 -
4 Differential relay. Primary phase-fault
protection for the generator 87G 87G 5 Loss of field protection 40 40G
6 Stator unbalanced current protection.
Negative sequence relay 46 46G
7
Voltage controlled or voltage-restrained time overcurrent relay. Backup for system and generator zone phase faults
51V -
8 Voltage relay. Primary protection for
rotor ground faults 64F 64F 9 Differential relay. Primary protection for
GSU or UAT transformer 87T 87T 10 Undervoltage relay 27 27
11 Overvoltage protection 59 59G
12 Reverse-power relay. Motoring
protection 32 32G
Lanjutan Tabel 2. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTG dengan Standar IEEE
No. Function
Device No.
IEEE PLTG 1/2
13 Differential relay for overall unit and
transformer 87U -
14 Main Transformer Neutral Time
overcurrent relay 51TN1 - 15 Generator neutral overvoltage 59GN -
16 Time overcurrent relay. Provides backup
protection for GSU ground faults 51TN2 64TN 17 Distance relay. Backup for system and
generator zone phase faults 21 - 18 Stator thermal protection 49 -
19 instantaneous overcurrent relays 50 50T
20 Ground Fault Time overcurrent relays
with instantaneous element 50/51GN 50/51GN 21 Time overcurrent relay 51 -
22 Exciter or dc generator relay 53 -
23 Transformer oil gas level 71 -
24 Loss of synchronism protection 78 -
III . Evaluasi dan Perbaikan Koordinasi Relay A. Koordinasi Pengaman Overcurrent Phasa
Peralatan pengaman overcurrent adalah peralatan yang mutlak perlu dikoordinasikan. Berikut ini plot dari tipikal pengaman overcurrent phasa pada unit pembangkit PLTU
Gambar 3. Hasil Plot Kurva Eksisting Koordinasi Pengaman Overcurrent Fasa Dari hasil plot tersebut dapat diketahui bahwa
terdapat miskoordinasi pada setting instan pengaman
overcurrent phasa. Dengan setting yang demikian, maka
terjadi gangguan hubung singkat pada daerah 4.16 kV,
setting instan rele beban dalam hal ini pengaman motor
tidak trip namun pengaman overcurrent pada rele 87AT akan men-trip-kan pembangkit. Hal ini akan sangat
merugikan. Seharusnya pengaman beban yang harus trip. Oleh sebab itu sebaiknya setting tap pada rele 87 AT perlu dinaikkan dan pengaman instan beban diturunkan.
Dengan mengacu pada aturan sebelumnya , maka dapat dilakukan perhitungan untuk menentukan setting peralatan pengaman overcurrent fasa PLTU sebagai berikut:
4 Pengaman Beban (50/51)
Dalam menentukan tipikal setting untuk pengaman overcurrent pada beban, maka yang harus diperhatikan adalah beban dengan daya terbesar. Pada PLTU, beban terbesar adalah motor boiler feed pump dengan kapasitas 3 MW. Adapun data yang perlu diperhatikan dalam menentukan setting pengaman overcurrent pada beban adalah sebagai berikut :
- Full Load Amperes (FLA) = 488 A - Starting current (Istart) =2440A
- Minimum through
fault current (Isc Min.) =1992A
- Rating CT fasa = 750/5
Dari data tersebut maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut :
Pick-up = 1.3 × FLA = 1.3 × 488 = 687.4 A → I> = 687.4 750 × 5 = 4.58 A → dipilih low-set tap 5A Low-set Tap (I>)
1.3 × Istart ≤ Pick-up ≤ 0.8 × Isc Min.
Pick-up = 1.5 × Istart = 1.5 × 2440 = 3660 A → I>> = 3660 750 × 5 = 24.4 A
→ dipilih high-set tap 25 A High-set Tap (I>>)
Element Instant Overcurrent Rele Diferensial (87AT)
Berdasarkan manual book rele GBT2D-BT2, rele tersebut memiliki elemen instant overcurrent yang akan pick-up dan langsung men-trip-kan pembangkit apabila mengalir sebesar 8 kali setting
pick-up. Oleh sebab itu, apabila dengan kondisi
eksisting setting pickup primer sebesar 640 A,
akan menghasilkan setting overcurrent instan sebesar 5120 A seperti yang dapat kita lihat pada Gambar 3 sebelumnya. Seperti yang telah dijelaskan pada rule setting di atas, pick-up
overcurrent instant sebaiknya diusahakan berada
di atas arus gangguan maksimum yang dapat terjadi di sisi tegangan 4.16 kV. Dengan arus hubung singkat maksimum yang dapat mengalir adalah sekitar 6550 A di sisi primer trafo auxiliary, maka setting pick-up diferensial sisi primer sebaiknya diubah sebagai berikut :
- Rating CT Primary = 1000/5 - Rating CT Sekundary = 4000/5
Pick-up = 1.1 × Isc Max .
8 = 1.1 × 6550 8 = 900.625 A → Primary Tap =900.625 1000 × 5 = 4.5 A dipilih primary tap 4.6 A Pengaman Trafo Auxiliary (51AT)
Untuk menentukan setting pick-up dari rele
inverse time overcurrent pengaman trafo auxiliary
ini harus diperhatikan FLA primer trafo, yaitu sebesar 615.8 A. dengan rating CT sebesar 1000/5 maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut: Pick-up = 1.3 × FLA = 1.3 × 615.8 = 800.54 A → I> = 800.54 1000 × 5 = 4.003 A → dipilih tap 4 A Low-set Tap (I>)
Dari hasil perhitungan di atas, maka dapat di-plot hasil resetting untuk tipikal koordinasi sistem pengaman overcurrent fasa pada sistem kelistrikan PLTU seperti pada gambar berikut.
5 B. Koordinasi Pengaman Fault
Besarnnya arus gangguan ground fault sangat tergantung pada sistem pentanahan yang digunakan. Dimana sistem pentanahan yang digunakan adalah solid. Peralatan pengaman ground fault juga peralatan pengaman
yang perlu dikoordinasikan. Adapun untuk melakukan koordinasi tersebut perlu di plot kurva setting eksisting dari pengaman tersebut, kemudian dibandingkan nilai settingannya dengan arus ground fault yang mungkin terjadi. Berikut ini hasil plot dari pengaman ground fault.
Gambar 5. Hasil Plot Kurva Pengaman Ground Fault Seperti pada hasil plot di atas, dapat diketahui
bahwa terdapat arus gangguan gound fault yang terdapat sangatlah besar. Hal ini disebakan karena sistem pentanahan yang digunakan adalah solid gounding, sehingga arus ground fault yang terjadi sama bahkan lebih besar dari arus gangguan phasa. Hal ini juga dapat merugikan, sebab kejadiannya akan sama dengan kejadian gangguan phasa seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, karena arus gangguan phasa yang mengalir ketika terjadi gangguan ground fault sangat besar, maka pembangkit akan trip, karena pengaman 87AT akan pickup terlebih dahulu. Oleh sebab itu, sebaiknya untuk sistem pentanahan yang digunakan pada tegangan 4.16 kV digunakan sistem pentanahan dengan impedansi (NGR)
Dengan menggunakan sistem pentanahan NGR, maka arus ground fault dapat diperkecil sehingga tidak terlalu bahaya bagi sistem. Dengan memeperhatikan kebutuhan
grounding peralatan dengan NGR, maka direkomendasikan
NGR dengan rating 400 A; 10 sekon. Adapun pemilihan rating NGR ini juga berkenaan dengan CT yang digunakan. Dimana CT yang digunakan adalah residual CT, sehingga dipilih low resistance grounding untuk mengatasi keterbatasan sensitifitas CT. Apabila menggunakan high
resistance grounding, maka residual CT tidak akan cukup
sensitif untuk mendetksi arus ground fault yang kecil. Dengan adanya penambahan NGR seperti yang telah direkomendasikan, maka untuk menentukan setting ideal dari koordinasi pengaman ground fault dapat dilakukan
resetting koordinasi sistem proteksi dengan rule sebagai
berikut :
Dengan mengacu pada rule di atas, maka dapat dilakukan perhitungan untuk menentukan setting peralatan pengaman ground fault PLTU sebagai berikut :
perhitungan sebagai berikut. Pengaman Beban (50N)
Untuk pengaman ground fault pada beban, yang akan digunakan adalah definite time ground
overcurrent. Dengan rating CT sebesar 750/5,
maka rele ini dapat di-set pada kemampuan maksimum dari sensitifitasnya, yakni sekitar 10% dari rating primer CT. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, dengan menggunakan NGR maka arus ground fault maksimum dibatasi pada nilai 400 A.
Dengan arus ground fault maksimum sebesar 400 A, rele pengaman beban dapat di-set pada
75A. adapun setting waktu yang
direkomendasikan adalah 0.7 detik. Hal ini sebagai antisipasi dari adanya arus starting yang sangat besar akibat humidity yang tinggi.
Humidity tersebut akan hilang sebelum 0.7 detik,
sehingga dapat menghindari motor trip saat start. Berikut ini perhitungan untuk menentukan tap yang digunakan.
→ I> = 75
750× 5
= 0.5 A
Pengaman Trafo Auxiliary (51NAT)
Untuk pengaman ground fault pada trafo
6 time ground overcurrent. Dengan rating CT
sebesar 3000/5 dan range setting minimum sebesar 4 A, maka arus ground fault minimum yang dapat terdeteksi adalah sebesar 2400 A. Hal ini tentu tidak sesuai dengan penggunaan NGR di mana arus ground fault maksimum yang dapat terjadi hanya sebesar 400 A. Oleh sebab itu direkomendasikan juga penggunaan CT yang lebih sensitif, misalnya 75/5.
Untuk setting pick-up, rele ini juga dapat di-set pada 75 A dengan waktu operasi 1 detik pada arus maksimum 400 A. Hal ini disesuaikan dengan grading time rele pengaman beban sehingga menghjasilkan koordinasi yang baik. Adapun perhitungan untuk menentukan tap yang digunakan adalah sebagai berikut.
→ I> = 75
75× 5
= 5 A
Sedangkan untuk menentukan time dial yang harus digunakan agar waktu operasinya 1 detik pada arus maksimum 400 A, dapat didasarkan pada manual book rele yang digunakan yaitu rele ICO1D-AT1.
Dikarenakan nilai 400 A adalah 5.33 kali dari pick-up 75 A, maka kurva yang digunakan adalah kurva dengan time dial yang menghasilkan waktu sekitar 1 detik pada nilai arus 5 kali pick-up-nya. Dengan melihat pilihan tap di atas, maka time dial yang dipilih adalah time dial 3. Berikut rincian setting untuk rele 51NAT:
- CT Ratio = 75/5
- Pick-up tap = 5 A
- Time Dial = 3
Pengaman Main Transformer (51NMT)
Untuk pengaman ground fault pada main
transformer, setting yang digunakan sudah
sangat tepat, sehingga tidak perlu ada perubahan. Dari hasil perhitungan di atas, maka dapat di-plot hasil resetting untuk tipikal koordinasi sistem pengaman ground fault pada sistem kelistrikan PLTU seperti pada gambar berikut.
Gambar 6. Hasil Plot Kurva Resetting Koordinasi Pengaman Ground Fault Untuk pengaman ground fault pada PLTG yang dapat
dibahas adalah rele proteksi generator 7UM62. Berikut ini adalah data setting rele tersebut:
- CT Ratio : 10/5 - I> pick up : 10 mA - I> Td : 3.00 sec - I>> pick up : 23 mA - I>> Td : 1.00 sec
Untuk sistem pentanahan yang digunakan pada generator adalah sudah menggunakan high resistance grounding, sehingga arus ground fault yang dapat terjadi sangatlah kecil. Adapun rating CT yang digunakan sudah cukup sensitif, sehingga rele dapat membaca arus ground fault yang sanagt kecil, sedangkan untuk setting time dial yang digunakan juga sudah cukup lama yaitu, 1 detik untuk
setting high-set, dan 3 detik untuk setting low-set. Sehingga
untuk setting pengaman ground fault pada PLTG sudah cukup baik.
V . Kesimpulan dan Saran A. Kesimpulan
Dari hasil simulasi dan analisis yang dilakukan, terdapat beberapa hal yang dapat disimpulkan, yaitu:
1. Terdapat beberapa fungsi pengaman generator belum tersedi seperti reverse power, lost of
synchro, dan pengaman thermal stator.
2. Terdapat beberapa fungsi pengaman utama main/aux transformer belum tersedia, terutama pengaman gangguan internal trafo
3. Untuk meningkatkan keamanan dan keandalan sistem, sebaiknya peralatan pengaman dilengkapi terutama peralatan pengaman utama generator.
7 4. Terjadi miskoordinasi pada setting pengaman
instan overcurrent phasa dan dapat menyebabkan pembangkit trip seketika apabila terjadi gangguan phasa pada sistem 4.16 kV.
B. Saran
Sistem pentanahan yang digunakan sebaiknya diganti, yaitu pada pentanahan sistem 4.16 kV. Sistem pentanahan yang digunakan adalah solid grounding, sehingga arus gangguan ground fault akan sangat besar sehingga dapat menyebabkan miskoordinasi dengan pengaman phasa. Sistem pentanahan yang direkomendasikan pada tegangan 4.16 kV adalah sistem pentanahan dengan impedansi (NGR) dengan rating 400 A; 10 detik. Perlu dilakukan resetting rele
overcurrent (phasa dan ground) pada sistem
kelistrikan PLTU sesuai dengan yang telah direkomendasikan.
DAFTAR PUSTAKA
1. IEEE Std 242-2001™, “IEEE Guide for AC Generator
Protection”, The Institute of Electrical and Electronics
Engineers, Inc., New York, Ch. 15, 2001
2. Wahyudi, ”Diktat Kuliah Pengaman Sistem Tenaga
Listrik”, Teknik Elektro ITS, Surabaya, Bab 2, 2004
3. INTRODUCTION MANUAL-DIV. IV GENERATOR AND ELECTRICAL EQUIPMENT BOOK E-2
4. Penangsang, Ontoseno, “Diktat Kuliah Analisis Sistem
Tenaga Jilid 2”, Teknik Elektro ITS, Surabaya, Bab 1,
2006
5. Lazar, Irwin, “Electrical System Analysis and Design
for Industrial Plant”, McGraw-Hill Inc.,USA, Ch. 1,
1980
6. Hewitson, L.G. (et al), “Practical Power Systems
Protection”, Elsevier Ltd., USA, Ch.1, 2004
7. Sleva, Anthony F., “Protective Relay Principles”, CRC Press, USA, Ch. 5, 2009
8. IEEE Std 242-2001™, “IEEE Recommended Practice
for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems”, The Institute of
Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, Ch. 15, 2001
Biografi Penulis
Penulis memiliki nama lengkap Rifgy Said Bamatraf. Lahir di Ujung Pandang pada tanggal 15 April 1989. Anak kedua dari pasangan Said Bamatraf dan Sri Mawar Said ini mengawali pendidikannya di SDN Mangkura IV pada tahun 1995-2001, kemudian melanjutkan ke SMP Negeri 6 Makassar hingga tahun 2004. Setelah lulus dari
SMA Negeri 1 Makassar pada tahun 2007, penulis melanjutkan pendidikannya di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Jurusan Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah penulis aktif mengikuti berbagai seminar dan pelatihan. Penulis yang merupakan salah satu asisten di Laboratorium Instrumentasi Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga (B.204) ini juga aktif mengikuti berbagai kegiatan kemahasiswaan, salah satunya menjadi Kepala Departemen Komunikasi dan Informasi Ikami Sul-Sel Cab. Surabaya periode 2009-2011. Penulis pernah menjadi octofinalis East Java Varsities English Debate 2009, dan juga best speaker electrical English debate tahun 2009. Penulis dapat dihubungi di alamat email rifgy.saidl@gmail.com.
