Abstrak – Proteksi sistem tenaga listrik merupakan hal
yang sangat penting dalam suatu sistem tenaga listrik, hal ini dikarenakan sistem proteksi dapat mencegah kerusakan peralatan yang lebih parah pada saat sistem mengalami gangguan. Koordinasi sistem proteksi yang baik dapat meningkatkan keandalan pada suatu sistem tenaga hal ini disebabkan bila terjadi gangguan di sistem maka rele proteksi dapat mendeteksi serta mengisolir daerah gangguan serta dapat mengamankan daerah yang tidak mengalami ganggua, sehingga kontinuitas penyaluran listrik dapat tetap terjaga. Untuk menjaga agar kondisi sistem proteksi tetap optimal maka diperlukannya suatu studi ulang mengenai koordinasi sistem proteksi tersebut. Tugas akhir ini akan membahas studi ulang koordinasi proteksi arus lebih fasa dan ground di unit pembangkit PLTU Pacitan serta nantinya dapat menganalisa kesalahan-kesalahan yang terdapat dalam penyetingan awal. Sehingga diharapkan sistem proteksi yang telah ada dapat bekerja dengan baik.
Kata Kunci: koordinasi sistem proteksi, rele arus lebih fasa
dan ground.
I. PENDAHULUAN
nergi listrik merupakan salah satu kebutuhan pokok umat manusia yang meningkat dari tahun ke tahun. Peningkatan kebutuhan energi listrik tidak luput dari perkembangan taraf hidup manusia yang semakin modern, hampir semua peralatan penunjang yang dibutuhkan oleh manusia untuk membantu segala aktifitas memerlukan sumber energi listrik. Oleh karena itu, ketersediaan energi listrik juga harus dapat ditingkatkan untuk memenuhi kebutuhan-kebutuhan tersebut. Salah satu upaya untuk meningkatkan ketersediaan energi listrik ialah dengan cara membangun pusat-pusat pembangkit listrik, diantaranya adalah pembangkit listrik tenaga uap yang terdapat di unit PLTU Pacitan yang berkapasitas 2 x 315 MW. Proses pembangkitan energi listrik didapatkan dari hasil pengkonversian energi mekanik menjadi energi listrik dengan bantuan generator uap. Oleh karena itu, peran dari sebuah generator/ pembangkit sangatlah vital dalam proses pembangkitan listrik sehingga generator tersebut harus tetap dijaga. Salah satu upaya dalam menjaga proses pembangkitan pada generator ialah dengan cara memasang alat proteksi yang nantinya dapat berperan penting jika terjadi gangguan pada sistem pembangkit. Sehingga generator dan sistem tidak mengalami kerusakan yang parah. Pembangkit listrik tenaga uap yang terdapat di pacitan merupakan pembangkit baru yang beroperasi pada bulan Juni 2013 untuk unit 1 sedangkan unit 2 beroperasi pada bulan Agustus 2013. Dengan adanya permasalahan mengenai pentingnya suatu koordinasi proteksi yang aman dan handal untuk menunjang proses pembangkitan energi listrik, maka perlu adanya suatu studi ulang mengenai koordinasi proteksi di unit PLTU Pacitan dikarenakan unit pembangkit tersebut merupakan pembangkit baru yang
harus dilakukan studi ulang koordinasi proteksinya agar pada saat terjadi gangguan unit tidak mengalami blackout. Rele yang akan dikoordinasi ulang mencakup rele arus lebih fasa dan ground pada unit 1. Sehingga diharapkan sistem proteksi di unit pembangkit tersebut dapat berjalan dengan baik dalam melindungi sistem pembangkitan energi listrik.
II. TEORI PENUNJANG A. Macam-Macam Gangguan
Gangguan Beban lebih
Gangguan ini sebenarnya bukan gangguan murni, tetapi bila dibiarkan terus-menerus berlangsung maka dapat merusak peralatan listrik yang dialiri oleh arus tersebut. Hal ini disebabkan karena arus yang mengalir melebihi dari kemampuan hantar arus dari peralatan listrik, dimana pengaman listrik (Rele, MCB atau fuse) yang terpasang arus pengenalnya atau setelannya melebihi kemampuan hantar arus peralatan listrik.
Gangguan Hubung Singkat.
Gangguan hubung singkat dapat terjadi antar fasa (3 fasa atau 2 fasa), dua fasa ketanah dan satu fasa ketanah yang sifatnya dapat temporer maupus secara permanen.
Gangguan yang bersifat Permanen
Gangguan hubung singkat permanen dapat terjadi pada kabel atau pada belitan trafo tenagayang disebabkan karena arus gangguan hubung singkat antara fasa atau fasa-tanah, sehingga pengkantar akan menjadi panas yang dapat berpengaruh pada isolasi atau minyak trafo tenaga,sehingga isolasi tembus. Pada generator, yang disebabkan adanya gangguan hubung singkat atau pembebanan yang melebihi kemampuan generator. Sehingga rotor memasok arus dari eksitasi berlebih yang dapat menimbulkan pemanasan pada rotor yang dapat merusak isolasi sehingga isolasi tembus, terjadilah hubung singkat. Pada tiik gangguan yang terjadi kerusakan secara permanen maka baru bias dioperasikan kembali setelah bagian yang rusak diperbaiki atau diganti.
Gangguan yang Bersifat Temporer
Gangguan ini biasanya terjadi saluran udara tegangan menengah ysng tidak menggunakan isolasi antara lain :
-Disebabkan karena adanya sambaran petir pada penghantar listrik yang tergelar di udara yang akan mengakibatkan flashover antara penghantar dengan traves melalui isolator.
-Penghantar tertiup angin yang dapat menimbulkan gangguan antar fasa atau penghantar fasa menyentuh pohon yang dapat menimbulkan gangguan 1 fasa ke tanah.
Studi Koordinasi Proteksi Arus Lebih Fasa dan
Ground Sistem Pembangkit UP PLTU Pacitan
Dimas Galuh Sumekar, Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT. 1), Dimas Fajar Uman Putra, ST., MT.2).
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
: [email protected], [email protected]
1), [email protected]
2)Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
Gangguan yang tembus tersebut (breakdown) adalah isolasi udaranya, oleh karena itu tidak ada kerusakan yang permanen. Setelah arus gangguannya terputus, misalnya karena terbukanya circuit breaker oleh relai pengamannya, peralatan atau saluran yang terganggu tersebut dapat dioperasikan kembali.
B. Rele Arus Lebih
Rele arus lebih adalah rele yang beroperasi ketika arus yang mengalir melebihi batas yang diizinkan. Rele ini dipilih karena gangguan yang paling sering terjadi pada sistem diakibatkan oleh adanya hubung singkat dan beban lebih yang akan menghasilkan arus yang sangat besar
[
1].
Koordinasi waktu pada rele arus lebih yaitu proses penentuan setting untuk rele agar dapat bekerja saat sistem mengalami gangguan[2]. Rele ini sering di gunakan di setiap zona proteksi. Rele akan bekerja apabila memenuhi keadaan sebagai berikut[3]:If > Ip rele bekerja (trip) If < Ip tidak bekerja (block)
Dimana IP merupakan arus kerja yang dinyatakan
menurut gulungan sekunder dari transformator arus (CT). Dan If merupakan arus gangguan yang juga dinyatakan
terhadap gulungan sekunder CT. Rele arus lebih dapat berupa rele arus lebih waktu tertentu, rele arus lebih waktu invers, danrele arus lebih waktu instan.
C. Setting Rele Arus LebihInstan
Rele arus instan akan seketika bekerja bila terdapat gangguan short circuit minimum maupun maksimum, sehingga dalam penyetelan pickup instan menggunakan nilai Isc min yaitu arus hubung singkat minimum dimana terjadi gangguan hubung singkat 2 fasa pada pembangkitan minimum. Sehingga setting dapat ditetapkan sebagai berikut :
Iset
0,8 Isc min ... (1)Sedangkan untuk feeder yang dipisahkan oleh transformator, koordinasi pengaman dibedakan menjadi dua daerah, yakni daerah low voltage (LV) dan daerah high voltage (HV) seperti pada gambar 1. Untuk menentukan setting pickup dengan syarat sebagai berikut:
Isc max bus B ≤ Iset
0,8 Isc min, A ... (2)A
B
Isc max B Isc min AGambar 1Rele Arus Lebih Pengamanan Transformator
Di mana Isc max bus B merupakan arus hubung singkat tiga
fasa maksimum pada titik B, sedangkan Isc min bus A adalah
arus hubung singkat minimum pada titik A.
D. Setting Rele Arus LebihWaktu Inverse
Batas penyetelan rele arus lebih adalah rele tidak bekerja pada saat beban maksimum. Oleh karena itu, setting arusnya harus lebih besar dari arus beban maksimum. Rele arus lebih waktu invers memiliki setelan pickup dan setelan time dial. Pada rele arus lebih, besarnya arus pickup ini ditentukan dengan pemilihan tap. Adapun untuk menentukan besarnya tap yang digunakan dapat menggunakan persamaan berikut :
Tap = p Iset ...(3) Iset adalah arus pickup dalam Ampere. Menurut standart British BS 142 batas penyetelannya adalah 1.05-1.3 Iset.
Setelan time dial menentukan waktu operasi rele. Untuk menentukan time dial dari masing-masing kurva karakteristik invers rele arus lebih dapat digunakan persamaan sebagai berikut[4]:
td =
[IsetI - ]... (4) Di mana :
td = waktu operasi (detik) T = time dial
I = nilai arus (Ampere) Iset = arus pickup (Ampere)
k = koefisien invers 1 (lihat tabel 1)
= koefisien invers 2 (lihat tabel 1)
= koefisien invers 3 (lihat tabel 1)
Tabel 1 Koefisien InversTime Dial
Tipe Kurva Koefisien
K
Standard Inverse 0,14 0,02 2,970 Very Inverse 13,50 1,00 1,500 Extremely Inverse 80,00 2,00 0,808 E. Rele Gangguan Tanah
Gangguan satu fasa ke tanah dapat diamankan dengan rele gangguan tanah. Rele ini adalah pengaman arus lebih yang dilengkapi zero sequence current filter. Rele gangguan ke tanah dapat digunakan pada sistem yang dibatasi arus gangguan ke tanahnya menggunakan sistem pentanahan.
F. Penyetelan Rele Gangguan Tanah
Pertimbangan pada setting koordinasi rele arus lebih gangguan ke tanah adalah:
Arus urutan nol akan terisolasi pada trafo belitan delta
Arus urutan nol akan mengalir dari sumber gangguan trafo belitan Wye
Sedangkan untuk setting rele gangguan ke tanah adalah :
III. SISTEM KELISTRIKAN PY. PJB UP PLTU PACITAN
WONOGIRI I WONOGIRI II PACITAN 1 PACITAN II
I BUSBUR CB213 CB212 CB211 CB210 CB209
CB243
Gambar2 Single Line Diagram PLTU Pacitan
A. Sistem Kelistrikan PLTU
Sistem kelistrikan yang ada pada PT. PJB UP PLTU Pacitan terdiri dari 2 Unit yaitu Unit 1,dan Unit 2, setiap unit terdiri dari generator uap dengan bahan bakar batu bara yang terhubung dengan GITT 150 kV, adapun generator uap setiap unit memiliki kapasitas masing masing sebesar 315,846 MW. Kapasitas pembangkitan tersebut kemudian akan disalurkan ke jaringan interkoneksi SUTT 150 KV melalui empat gardu induk yaitu : Gardu induk Wonogiri 1,Wonogiri 2, Pacitan 1, dan Pacitan. PT. PJB Unit Pembangkitan Pacitan memiliki dua unit steam turbine generator demi menjaga pelayanan listrik ke konsumen. Adapun Tabel 2 menunjukkan data kapasitas pembangkit di PT. PJB UP Pacitan sebagai berikut:
Tabel 2 Data Kapasitas Pembangkitan PT. PJB UP PLTU Pacitan
NO ID MW MVA KV PF(%) 1. G-1 315,846 371.584 20 0,85 2. G-2 315,846 371.584 20 0,85 IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISA KOORDINAS PROTEKSI
DI PT. PJB UP PLTU PACITAN A. Tipikal 1
Sistem pengaman pada tipikal 1 yang dijelaskan pada gambar 4.3 yang terdiri dari rele R. GT. HVS yang ada pada tegangan 150 kV. Koordinasi tipikal 1 ini dimulai dari bus bar I BUSBUR hingga 10BAT01 GT-1.
I BUSBUR dilihat pada gambar 4.
Gambar 4. Hasil plot setelan rele existing tipikal 1
Pada kondisi existing tipikal 1 masih ada beberapa tidak dapat melindungi damage curve tranformator 10BAT01 GT-1 serta jika terjadi hubung singkat minimal pada I BUSBUR rele R. GT. HVS akan merespon lambat karena mengenai kurva inverse, sehingga jika hal tersebut tetap dibiarkan maka dapat mengakibatkan kerusakan yang fatal terhadap transformator 10BAT01 GT-1. Damage curve adalah kurva kerusakan transformator akibat panas yang berlebih. Maka dari itu, sebelum mendekati damage curve transformator, rele harus bekerja sehingga kerusakan pada transformator dapat dicegah. Adapun solusi dalam menyelesaikan masalah ini dengan memperkecil nilai time delay dan pickup sehingga rele dapat melindungi damage curve dan berada di atas dari titik inrush.
Adapun perhitungan setting rele F041_7A.4 sebagai berikut:
Time Overcurrent Pickup
td = K
[ - ]
K = td [ - ]
K = td [
sc ma US U tap T p - ]
K = [
- ]
K= 0.5
High Set Current Setting (I>>) Iset ≤ sc min I BUSBUR
Iset ≤ Iset ≤ 9
dipilih Iset = 5500 A
Tap = = = 2.2 Time delay = 0.15 s
Adapun kurva hasil plot rele resetting tipikal 1 dapat dilihat pada Gambar 5
Gambar5. Hasil plot setelan rele resetting tipikal 1
B. Tipikal 2
Sistem pengaman pada tipikal 2 yang dijelaskan pada Gambar 6 yang terdiri dari rele R. EXC. TR. HVS dan R. EXC. TR. LVS. Koordinasi tipikal 2 ini dimulai dari Bus 410BAA01 hingga bus 45.
10BAA01
10MKT01 EXC TR
BUS 45 R. EXC. TR. HVS CB19
CB 194
Gambar1 Single Line Tipikal 2
Adapun kurva hasil plot rele existing tipikal 2 dapat dilihat pada Gambar7
Gambar7. Hasil plot setelan rele existing tipikal 2
Hasil dari plot existing rele-rele pengaman pada koordinasi tipikal 2 dapat dilihat pada Gambar 7. Pada kondisi existing tipikal 2 masih ada beberapa kekurangan antara lain:
Kurva rele R. EXC. TR HVS adalah kurva yang berwarna hijau. Terlihat bahwa kurva ini terletak di sebelah kanan dari FLA transformator 10MKT01 EXC TR, dan di sebelah kiri dari damage curve transformator. Adapun setelan rele ini masih belum sempurna. Seharusnya rele tersebut harus melindungi damage curve transformator 10MKT01 EXC TR, dan kurva invers harus melindungi transformator 10MKT01 EXC TR1 dari gangguan beban penuh yang ditandai dengan terjadinya lonjakan arus yang meningkat secara perlahan dan terjadi terus-menerus. Damage curve adalah kurva kerusakan transformator akibat panas yang berlebih. Maka dari itu, sebelum mendekati damage curve transformator, rele harus bekerja sehingga kerusakan pada transformator dapat dicegah. Adapun solusi dalam menyelesaikan masalah ini dengan memperkecil nilai time dial, pickup serta instantaneous pickup sehingga rele dapat melindungi damage curve dan berada serta FLA transformator 33BBT01.
Adapun perhitungan setting Rele R. EXC. TR HVS sebagai berikut:
Time Overcurrent Pickup
1.05 × FLA ≤ Ipp ≤ 1.4 × FLA
1.05 × 103.9 ≤ Ipp ≤ 1.4 × 103,9
109 ≤ Ipp ≤ 145,46
Dipilih Ipp = 120 A Rele Ampere = = = 2 Setting Tap = = = 0,4
Time Dial
Dipilih waktu operasi (td) = 0,000416 s
td = K
[ - ]
K = td [ - ]
K = td [
sc ma bus AA tap T p - ]
K = [
- ]
K= 1
High Set Current Setting (I>>)
Isc max bus 45 in HVS ≤ Iset ≤ sc min I BUSBUR
36730 ≤ Iset ≤ 97 1653 ≤ Iset ≤ 7 dipilih Iset = 5500 A
Tap = = = 18.333 Time delay = 0.1 s
RELE EXC LVS
Time Overcurrent Pickup
1.05 × FLA ≤ Ipp ≤ 1.4 × FLA
1.05 × 2309 ≤ Ipp ≤ 1.4 × 2309
2424,45 ≤ Ipp ≤ 3232,6
Dipilih Ipp = 2500 A
Rele Ampere = = = 4,1667 Setting Tap = = = 0.8333
Time Dial
Dipilih waktu operasi (td) = 0,8 s
td = K
[ - ]
K = td [ - ]
K = td [
sc ma bus tap T p - ]
K = [
- ]
K= 1
High Set Current Setting (I>>) Iset ≤ sc min bus45
Iset ≤ Iset ≤ 9
dipilih Iset = 18000 A
Tap = = = 6 Time delay = 0.3 s
Adapun kurva hasil plot rele resetting tipikal 2 dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar 8. Hasil plot setelan rele resetting tipikal 2
C. Tipikal 3a Gangguan ke Tanah
Sistem Pentanahan dengam menggunakan NGR pada tipikal 3a hanya terdapat pada transformator 00BBT01 UAT-1. Sedangkan untuk sistem pentanahan pada tegangan 0.4 kV menggunakan sistem pentanahan solid. Sehingga rele yang dikoordinasi pada tipikal ini hanya pada rele R. AUX T. LVS. Gambar 9 merupakan tipikal 3a yang akan dikoordinasi.
10BBB CB 219
R. AUX. T HVS CB 30 10BAA01
R. AUX T. LVS TIPIKAL
3a
00BBT01 UAT-1
Gambar 9 Tipikal Koordinasi 3a pada Tegangan 6.6 Kv
pada tipikal ini dilakukan terlebih dahulu perhitungan secara manual. Perhitungannya adalah sebagai berikut:
Rele R. AUX T. LVS
Manufacturer : NARY
Model : RCS 985
Curve Type : Definite Time
CT Ratio : 600 / 5
Instantaneous Pickup
5-10% x Isc L-G 10BBB ≤ Iset ≤ % Isc L-G 10BBB 5-10% x 400 < Iset< 50% x 400
Dipilih Iset = 24 A Tap = set
T p
=
= 0.04 Time Delay
Dipilih time delay = 0.3s
V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisa yang telah dilakukan maka dapat diambil beberapa kesimpulan koordinasi rele pengaman pada PT. PJB UP Pacitan yaitu :
1. Pada setting rele arus lebih fasa pada tipikal 1, yaitu dari bus 10BAA01 hingga I BUSBUR terdapat beberapa nilai setting yang kurang tepat yaitu nilai instantaneous pickup serta time delay pada rele tersebut terlalu besar sehingga rele R. GT. HVS tidak dapat melindungi damage curve tranformator 10BAT01 GT-1 serta jika terjadi hubung singkat minimal pada I BUSBUR rele R. GT. HVS akan merespon lambat karena mengenai kurva inverse. Maka dari itu tipikal ini telah dilakukan perhitungan ulang sehingga jika terjadi gangguan hubung singkat minimum di I BUSBUR maka rele R. GT. HVS dapat bekerja, selain itu rele juga dapat pengamankan damage curve tranformator 10BAT01 GT-1.
2. Pada setting rele arus lebih gangguan fasa tipikal 2, yaitu dari bus 10BAA01 hingga bus 45 terdapat beberapa nilai setting yang kurang tepat yaitu kurva rele R. EXC. TR. HVS terletak di sebelah kanan dari FLA transformator 10MKT01 EXC TR, dan di sebelah kiri dari damage curve transformator selain itu kurva rele R. EXC TR. LVS berada di sebelah kiri dari FLA transformator 10MKT01 EXC TR1 dan memiliki nilai time delay kurva instan yang besar. Dari beberapa nilai yang kurang tepat tersebut telah dilakukan perhitunga ulang sehingga rele R. EXC TR HVS maupun R. EXC TR LVS dapat bekerja dengan baik jika terdapat gangguan dari daerah pengamannya.
3. Pada setting rele arus lebih gangguan ke tanah tipikal 3a dan , telah dilakukan setting koordinasi rele arus lebih gangguan ke tanah Rele-rele ini dikoordinasikan berdasarkan tipe pentanahan belitan pada trafo dan generator. Untuk pentanahan belitan pada trafo delta-wye (solid), maka cukup menggunakan rele pengaman fasa saja. Pada perhitungan tipikal ini didapatkan nilai Iset = 24A dengan gradding time 0.3s. Sehingga apabila terjadi hubung singkat 1 fasa ke tanah maka rele ini dapat bekerja dengan baik.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Phadke Arun G dan Thorp James S “Computer Relaying for Power System” John Wiley and Sons Ltd., England, Ch. 2, 2009
[2] udi Sidabutar ” Analisa Hubung Singkat dan Motor Starting Dengan Menggunakan ETAP Power Station 4.0”, Tugas Akhir, Medan,2010
[3] Wahyudi “Diktat Kuliah Pengaman Sistem Tenaga Listrik” Teknik lektro TS Surabaya ab [4] Kurniawan Ahmad, Yusuf,” Stud Koo d n s P ote s
PT. PJB UP Gresik” tugas akhir, ITS, 2014
[5] Andikta Dwi Hirlanda ” Koordinasi Proteksi Pada Sistem Distribusi 33kV PT. Pertamin RU IV Cilacap Akibat Penambahan Generator 3X15 MW” tugas akhir, ITS, 2013
BIODATA PENULIS
Penulis memiliki nama lengkap Dimas Galuh Sumekar. Lahir di Sumenep pada tanggal 3 Juni 1991. Penulis mengawali pendidikannya di SDN Bugih 3 Pamekasan, SMPN 4 Pamekasan, SMAN 3 Pamekasan, pada tahun 2009 penulis melanjutkan pendidikan Diploma 3 di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Jurusan D3 Teknik Elektro dengan Program Studi Computer Control. Penulis menyelesaikan program diploma 3 pada tahun 2012. Setelah lulus penulis langsung melanjutkan studi sarjana melalui program Lintas Jalur di Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Jurusan Teknik Elektro (FTI-ITS) dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Penulis Dapat dihubungi dengan Email
[email protected] atau nomor telpon
