TUGAS AKHIR - RE 1599
ANALISIS SETTING RELE PENGAMAN MOTOR
BERDASARKAN METODE STARTING MOTOR.
STUDI KASUS SISTEM KELISTRIKAN PABRIK SEMEN
TONASA IV.
Nalendra Permana 2205 100 081 Dosen Pembimbing
Prof. Ir. Ontoseno Penangsang M.Sc. Ph.D. Dimas Anton Asfani, ST, MT.
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009
FINAL PROJECT – RE 1599
Analysis of Motor’s Protective Relays Setting
Based on Its Starting Method.
Case: Electric Power Distribution System Pabrik
Semen Tonasa IV
Nalendra Permana 2205 100 081 counsellor lecturer
Prof. Ir. Ontoseno Penangsang M.Sc. Ph.D. Dimas Anton Asfani, ST, MT.
ELECTRICAL ENGINEERING Faculty of Technology Industry 10 November Technology of Institute Surabaya 2009
v
ABSTRAKProses motor starting akan menyerap arus lebih hingga 600-800% arus beban penuh. Kondisi ini dapat mengakibatkan terjadinya gangguan power quality. Beberapa metode starting motor digunakan untuk menurunkan arus starting. Salah satu jenis metode starting yang umum digunakan adalah metode tahanan rotor.
Metode starting dengan tahanan rotor dapat menurunkan arus starting hingga 250% I beban penuh. Metode ini juga memperbaiki karakteristik torka starting motor karena penambahan tahanan rotor mengubah titik slip torka maksimum. Tahanan rotor yang digunakan dapat berupa tahanan metal dan liquid.
Pada penelitian ini, dibahas tentang karakteristik starting tahanan rotor dengan tahanan liquid saat starting kemudian dianalisa dan diteliti sebagai pertimbangan menentukan setting rele pengaman motor. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa penggunaan tahanan rotor berpengaruh pada setting arus dan waktu pengaman motor.
Kata Kunci : Metode Starting Motor Tahanan motor, Rele
vi
vii
ABSTRACT
During motor startup, motor will draw 600-800% full load current. This condition will cause power quality disturbance. There are several motor starting methods which use to reduce motor starting current. Rotor resistance method is one of starting method which common use to startup the slip-ring induction.
Rotor resistance starting method reduces motor starting current to 250% FLA. This method also increase motor locked-rotor torque because rotor resistance addition will change the slip of maximum-torque. There are two kind of resistance, metal resistance and liquid resistance.
In this research, rotor resistance characteristic will be discussed then will be analyzed and examined as considerations to determine the motor protective relay’s setting . Results of this research indicate that the use of rotor resistance affect the relay’s setting.
Keyword—Rotor Resistance Starting Method, Motor Protective Relay.
viii
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya yang begitu besar, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul :
ANALISIS SETTING RELE PENGAMAN MOTOR BERDASARKAN METODE STARTING MOTOR STUDI KASUS
SISTEM KELISTRIKAN PABRIK SEMEN TONASA IV
Diharapkan laporan tugas akhir ini dapat digunakan sebagai referensi berkaitan dengan proses produksi pada industri besar dan sistem pengaman pada industri.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Prof. Ir. Ontoseno Penangsang, Msc, Ph.D sebagai dosen pembimbing saya yang telah memberikan arahan dan perhatiannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Dimas Anton Asfani, ST, MT sebagai dosen pembimbing saya yang telah memberikan kesempatan, arahan dan perhatiannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Sebagai penutup, penulis berharap agar laporan tugas akhir ini dapat memberikan manfaat dan memperluas wacana dunia ketenagalistrikan.
Surabaya, Juli 2009
x
iii
ANALISIS SETTING RELE PENGAMAN MOTOR BERDASARKAN METODE STARTING MOTOR.
STUDI KASUS SISTEM KELISTRIKAN PABRIK SEMEN TONASA IV
TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Sebagian Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Pada
Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Menyetujui : Dosen Pembimbing I
Prof.Ir.Ontoseno Penangsang, M.Sc,Ph.D. NIP. 130 520 748
Dosen Pembimbing II
Dimas Anton Asfani, ST, MT. NIP. 132 311 412
SURABAYA JULI, 2009
iv
xi
LIST OF CONTENTS
TITLE i
LEGALIZATION PAGE iii
ABSTRACT (INDONESIA) v
ABSTRACT (ENGLISH) vii
FOREWORD ix
LIST OF CONTENTS xi
LIST OF FIGURES xv
LIST OF TABLES xix
CHAPTER I INTRODUCTION
1.1 Background 1
1.2 Problems and problem limitations 1
1.3 Objection 2
1.4 Methodology 2
1.5 Material Systematic 3
1.6 Relevance 4
CHAPTER II BASIC THEORIES
2.1 Induction Motor 5
2.1.1 Induction Motor Construction 5 2.1.2 Principle Work Of Induction Motor 6 2.1.3 Induction Motor Equivalence Circuit 6 2.1.4 Deciding Circuit Parameter 10
2.2 Induction Motor Starting Method 13 2.2.1 Motor Starting Characteristic 14
2.2.2 Direct On-line Starting 16
2.2.3 Autotransformer 18
2.2.4 Soft Starter 20
2.2.5 Wye-Delta Starting 22
2.2.6 Primary Resistor Winding 24 2.2.7 Secondary Resistor Starter 27
2.2.7.1 Metal Type 29
xii
2.2.8 Adjustable Frequency Drives 29
2.3 Short Circuit Fault 29
2.3.1 Symetrical Fault 30
2.3.2 Type of Short Circuit Fault 30
2.3.3 Short Circuit Analysis 31
2.3.3.1 Per-unit Method for Short Circuit Analysis 32 2.3.3.2 Short Circuit Current Analysis 32
2.4 Protective Relay 35
2.4.1 Protective Relay Characteristic 35
2.4.2 Overcurrent Relay 36
CHAPTER III
ELECTRICAL SYSTEM AND SIMULATION OF PT TONASA IV SOUTH SULAWESI
3.1 Electrical System Distribution of Tonasa IV Cement
Industry 41
3.2 Electrical Power Generation of Tonasa IV Cement
Industry 41
3.3 Substation SS-1 (Raw Mill + Crusher) 41 3.4 Substation SS-2 (Kiln + Coal Mill) 44 3.5 Substation SS-3 (Finish Mill) 47 3.6 Load Profile of Tonasa IV Cement Industry 50 3.7 Motor Starter in Tonasa IV Cement Industry 52 3.8 Existing Setting of Overcurrent Relay in Tonasa IV
Cement Industry 53
3.9 Analysis Steps and Final Project`s Simulation 56 3.9.1 Secondary Resistance Liquid Starter Modelling
and Motor Starting Simulation Using ETAP 4.0 57
3.9.1.1 Info Page 60
3.9.1.2 Model Page 61
3.9.1.3 Time Page 62
3.10 Protection Setting Using PowerPlot 2.5 63 3.10.1 Protective Relay Calculation 65
CHAPTER IV SIMULATION RESULT AND ANALYSIS
4.1 Motor Starting Modelling 67
xiii
4.3 Short Circuit Current Analysis 81 4.4 Existing Relay Setting Analysis 87 4.4.1 Resetting Protective Relay Motor 402CR01M1 93 4.4.2 Setting of Protective Relay Motor 411FA06M1
Until Main Bus 70 kV
94 4.5 Resetting Overcurrent Relay Curves 102
CHAPTER V CONCLUSION
5.1 Conclusion 107
BIBLIOGRAPHY 109
APPENDIX A Mathlab Program for Modelling Motor Starting 111 APPENDIX B Cement Production of Tonasa IV 113
xiv
xv
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1a. Rotor sangkar bajing 5
Gambar 2.1b. Rotor belit 5
Gambar 2.2. Rangkaian ekivalen motor 7 Gambar 2.3. Rangkaian ekivalen rotor 7 Gambar 2.4. Rangkaian ekivalen motor dengan normalisasi rotor 8 Gambar 2.5. Rangkaian ekivalen motor dengan penyederhanaan
rangkaian magnetisasi 9
Gambar 2.6. Rangkaian ekivalen motor dengan xφ diparalel 9
Gambar 2.7a. Tes tahanan stator 10
Gambar 2.7b. Rangkaian pengganti tes tahanan stator 11
Gambar 2.8a. Tes beban nol 11
Gambar 2.8b. Rangkaian pengganti tes beban nol 11
Gambar 2.9a. Tes locked rotor 12
Gambar 2.9b. Rangkaian pengganti tes locked rotor 12 Gambar 2.10. Kurva torka-kecepatan dan kurva arus-kecepatan 14 Gambar 2.11a. Respon motor f = 0.7 15 Gambar 2.11b. Respon motor f = 1 15 Gambar 2.11c. Respon motor f = 1.4 15 Gambar 2.11d. Respon motor f = 2 15 Gambar 2.12a. Starting direct on-line 17 Gambar 2.12b. Respon arus starting direct on-line 18 Gambar 2.13a. Starting autotransformer 19 Gambar 2.13b. Respon arus starting autotransformer 19 Gambar 2.13c. Respon torka starting autotransformer 20 Gambar 2.14a. Starting soft starter 20 Gambar 2.14b. Respon arus starting soft starter 21 Gambar 2.14c. Respon torka starting soft starter 21 Gambar 2.15a. Starting wye delta 22 Gambar 2.15b. Respon arus starting wye delta 23 Gambar 2.15c. Respon torka starting wye delta 24 Gambar 2.16a. Starting tahanan stator 25 Gambar 2.16b. Respon arus starting tahanan stator 26 Gambar 2.16c. Respon torka starting tahanan stator 26 Gambar 2.17a. Starting tahanan rotor 27 Gambar 2.17b. Respon arus starting tahanan rotor 28 Gambar 2.17c. Respon torka starting tahanan rotor 28
xvi
Gambar 2.18. Fasor tiga komponen urutan fasa 30 Gambar 2.19. Macam-macam hubungan singkat 31 Gambar 2.20. Single line diagram sebelum diubah menjadi diagram
reaktansi
33 Gambar 2.21. Diagram reaktansi dari single line diagram Gambar
2.20
34 Gambar 2.22. Karakteristik arus lebih instaneous 37 Gambar 2.23. Karakteristik arus lebih definite 37 Gambar 2.24. Karakteristik arus lebih inverse 38 Gambar 2.25. Skema rele arus lebih 38 Gambar 2.26. Karakteristik operasi rele arus lebih inverse 40 Gambar 3.1. Single line diagram bus SS-1(SG2) 42 Gambar 3.2. Single line diagram bus SS-1(SG3) 44 Gambar 3.3. Single line diagram bus SS-2(SG4) 46 Gambar 3.4. Single line diagram bus SS-2(ESG1) 47 Gambar 3.5. Single line diagram bus SS-3(SG7) 48 Gambar 3.6. Single line diagram bus SS-3(SG6) 50 Gambar 3.7. Diagram alir tugas akhir 57
Gambar 3.8. Tampilan library 58
Gambar 3.9. Tampilan motor characteristic model 59 Gambar 3.10. Tampilan motor characteristic model library editor. 59 Gambar 3.11. Tampilan induction motor editor 60
Gambar 3.12. Info page 61
Gambar 3.13. Model page 61
Gambar 3.14. Time page 62
Gambar 3.15. Tampilan user curve 64 Gambar 4.1. Diagram alir perhitungan respon motor dengan liquid
starter
68 Gambar 4.2. Respon torka starting motor dengan liquid starter 72 Gambar 4.3. Respon arus starting motor dengan liquid starter 72 Gambar 4.4. Respon Pf starting motor dengan liquid starter 73 Gambar 4.5. Respon Pf starting motor dengan liquid starter 73 Gambar 4.6. Arus starting 402CR01M1 74 Gambar 4.7. Ilustrasi durasi waktu terhadap arus 77 Gambar 4.8. Arus starting 411FA06M1 80 Gambar 4.9 Diagram reaktansi hubung singkat 30 cycle bus SG2 83 Gambar 4.10 Diagram reaktansi normalisasi hubung singkat 30
cycle bus SG2
xvii
Gambar 4.11 Penyederhanaan rangkaian untuk penentuan reaktansi pengganti hubung singkat 30 cycle pada bus SG2 85 Gambar 4.12 Arus starting direct on-line dan setting rele eksisting
motor 402CR01M1 89
Gambar 4.13 Arus starting liquid starter dan setting rele eksisting
motor 402CR01M1 90
Gambar 4.14 Arus starting direct on-line dan setting rele eksisting
motor 411FA06M1 91
Gambar 4.15 Arus starting liquid starter dan setting rele eksisting
motor 411FA06M1 92
Gambar 4.16 Single line diagram rele SG2F2 93 Gambar 4.17 Single line diagram rele SG2F7 hingga rele HV SG3 95 Gambar 4.18 Kurva koordinasi proteksi resetting dari rele motor
402CR01M1 103
Gambar 4.19 Kurva koordinasi proteksi resetting dari rele motor
411FA06M1 104
Gambar 4.20 Kurva koordinasi line proteksi resetting dari bus
SG-2 hingga main bus HV 105
xviii
xi
DAFTAR ISI
Judul i
Lembar Pengesahan iii
Abstrak v
Abstract vii
Kata Pengantar ix
Daftar Isi xi
Daftar Gambar xv
Daftar Tabel xix
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Permasalahan dan Batasan Masalah 1
1.3 Tujuan 2
1.4 Metode Penelitian 2
1.5 Sistematika Pembahasan 3
1.6 Relevansi 4
BAB II DASAR TEORI
2.1 Motor Induksi 5
2.1.1 Konstruksi Motor Induksi 5 2.1.2 Prinsip Kerja Motor Induksi 6 2.1.3 Rangkaian Ekivalen Motor 6 2.1.4 Penentuan Parameter Rangkaian 10
2.2 Metoda Starting Motor Induksi 13 2.2.1 Karakteristik Starting Motor 14
2.2.2 Direct On-line Starting 16
2.2.3 Autotransformer 18
2.2.4 Soft Starter 20
2.2.5 Wye-Delta Starting 22
2.2.6 Primary Resistor Winding 24 2.2.7 Secondary Resistor Starter 27
2.2.7.1 Tipe Metal 29
xii
2.2.8 Adjustable Frequency Drives 29
2.3 Gangguan Hubung Singkat 29
2.3.1 Komponen Simetri 30
2.3.2 Jenis Gangguan Hubung Singkat 30
2.3.3 Analisa Hubung Singkat 31
2.3.3.1 Metode Per-unit untuk Analisa Hubung
Singkat 32
2.3.3.2 Perhitungan Arus Hubung Singkat 32
2.4 Rele Pengaman 35
2.4.1 Karakteristik Rele Pengaman 35 2.4.2 Rele Pengaman Arus Lebih 36
BAB III SISTEM KELISTRIKAN DAN SIMULASI PT TONASA IV SULAWESI SELATAN
3.1 Sistem Jaringan Tenaga Listrik di Pabrik Semen
Tonasa IV 41
3.2 Sistem Pembangkit Tenaga Listrik di Pabrik Semen
Tonasa IV 41
3.3 Substation SS-1 (Raw Mill + Crusher) 41 3.4 Substation SS-2 (Kiln + Coal Mill) 44 3.5 Substation SS-3 (Finish Mill) 47 3.6 Pola Pembebanan pada Sistem Kelistrikan Pabrik
Semen Tonasa IV 50
3.7 Penggunaan Motor Starter di Pabrik Semen Tonasa IV 52 3.8 Peralatan Pengaman Arus Lebih 53 3.9 Langkah Analisis dan Simulasi Tugas Akhir 56
3.9.1 Pemodelan Resistor Sekunder Liquid dan Simulasi
Motor Starting pada Perangkat Lunak ETAP 4.0 57
3.9.1.1 Info Page 60
3.9.1.2 Model Page 61
3.9.1.3 Time Page 62
3.10 Setting Pengaman pada Perangkat Lunak PowerPlot 2.5 63 3.10.1 Perhitungan Setting Pengaman 65
BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
4.1 Pemodelan Motor Starting 67
4.2 Analisa Sistem Kelistrikan 81
xiii
4.4 Analisis Setting Rele Existing 87 4.4.1 Resetting Rele Motor 402CR01M1 93 4.4.2 Setting Rele Motor 411FA06M1 hingga Main Bus
70 kV
94 4.5 Kurva Pengaman Arus Lebih Hasil Resetting 102
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan 107
DAFTAR PUSTAKA 109
LAMPIRAN A Program Matlab Pemodelan Motor Starting 111 LAMPIRAN B Proses Produksi Pabrik Semen Tonasa IV 113
xiv
xix
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1. Tabel nilai X1 dan X2 terhadap jenis motor induksi 12
Tabel 2.2. Faktor pengali asymmetrical short-circuit current 34 Tabel 2.3. Konstansta kurva IEEE 39 Tabel 3.1. Data motor induksi SS-1(SG2) 42 Tabel 3.2. Data beban lump SS-1(SG2) 42 Tabel 3.3. Data motor induksi SS-1(SG3) 43 Tabel 3.4. Data beban lump SS-1(SG3) 43 Tabel 3.5. Data motor di substation SS-2(SG4) 45 Tabel 3.6. Data beban lump SS-2(SG4) 45 Tabel 3.7. Data beban lump EMDB-1 46 Tabel 3.8. Data beban lump EMDB-12 46 Tabel 3.9. Data motor induksi SS-3(SG7) 48 Tabel 3.10. Data beban lump SS-3(SG7) 48 Tabel 3.11. Data motor induksi SS-3(SG6) 49 Tabel 3.12. Data beban lump SS-3(SG6) 49 Tabel 3.13. Persen loading pada setiap beban 51 Tabel 3.14 Data tipe motor starter 53 Tabel 3.15. Tabulasi setting eksisting rele pada bus high voltage
70 kv 53
Tabel 3.16. Tabulasi setting eksisting rele pada bus 6,3 kV 54 Tabel 4.1. Data motor 402CR01M1 67 Tabel 4.2. Plot respon motor 402CR01M1 dengan liquid starter 71 Tabel 4.3. Hasil simulasi motor starting analysis motor
402CR01M1 75
Tabel 4.4. Durasi waktu terhadap tingkat arus motor
402CR01M1 78
Tabel 4.5. Data motor 411FA06M1 79 Tabel 4.6. Plot respon motor 411FA06M1 dengan liquid starter 79 Tabel 4.7. Kondisi pembangkitan 81 Tabel 4.8.
Tabel reaktansi generator dan trafo tegangan menengah untuk analisis hubung singkat 30 cycle SG2 Tonasa IV
82 Tabel 4.9. Impedansi hubung singkat sistem kelistrikan (Ω) 87 Tabel 4.10. Arus hubung singkat pada bus motor medium voltage 87
xx
