BAB IV RELAY PROTEKSI GENERATOR BLOK 2 UNIT GT 2.1 PT. PEMBANGKITAN JAWA-BALI (PJB) MUARA KARANG

Transkripsi

1 BAB IV RELAY PROTEKSI GENERATOR BLOK 2 UNIT GT 2.1 PT. PEMBANGKITAN JAWA-BALI (PJB) MUARA KARANG 4.1 Tinjauan Umum Pada dasarnya proteksi bertujuan untuk mengisolir gangguan yang terjadi sehingga tidak merusak peralatan dan sistem yang tidak terganggu. Untuk sistem yang besar umumnya besaran - besaran ukur untuk mengetahui kesalahan ditransformasikan dulu melalui transformator ukur ke harga yang lebih kecil, kemudian dimasukkan ke relay yang akan memerintahkan penggerak melakukan tripping membuka CB atau memberi sinyal pada peralatan/komponen proteksi. Generator merupakan alat yang paling mahal dalam suatu sistem tenaga listrik arus bolak balik dan merupakan bagian yang paling mungkin terjadi gangguan atau kerusakan. Untuk itu dibutuhkan suatu perlindungan dari keadaan abnormal yang memiliki keandalan tinggi. Pada generator jika terjadi gangguan tidak cukup hanya memutuskan hubungan dengan beban, karena hal ini tidak mencegah terjadinya kerusakan lebih lanjut selama generator masih mensuplai tenaga listrik. Sehingga pada umumnya sebuah relay pada generator akan melakukan tiga langkah pengamanan, yaitu: menghilangkan medan, memberhentikan suplai uap, air atau bahan penggerak 60

2 58 turbin lainnya, memutuskan beban, serta lebih lanjut mensuplai gas karbondioksida ke dalam generator untuk memadamkan busur api yang timbul. Gambar 4.1 Ruang lingkup Sistem Proteksi Pembangkit Keterangan Gambar: A : Penggerak Mula (Turbin) B : Generator C : Main Transformator/Generator Transformer D : Main Aux Transformer E : Reserve Auxiliary Transformer F : Motor-motor pemakaian sendiri --- : Lingkup Relay Pembangkit

3 Klasifikasi Gangguan pada Generator Gangguan listrik (electric fault), adalah gangguan yang timbul dari bagian kelistrikan generator. Gangguan ini antara lain: Hubung singkat antar fasa Hubung singkat yang dimaksud adalah hubung singkat pada belitan stator. Jika hubung singkat yang terjadi 3 fasa, maka akan muncul bunga api dengan suhu tinggi serta kemungkinan besar akan menyebabkan kebakaran. Efek yang lainadalah vibrasi yang tinggi serta membengkoknya rotor generator. Stator to ground Kerusakan akibat gangguan hubung singkat 2 fasa masih bisa diperbaiki dengan menyambung (tapping) atau mengganti konduktor, namun gangguan stator to ground ini bisa menyebabkan lelehnya laminasi besi dan loncatan bunga api yang besar kemudian akan menyebabkan kerusakan yang sangat serius. Rotor to ground Pada rotor yang belitannya tidak dihubungkan ke tanah, bila salah satu sisi terhubung ke tanah belum menjadi masalah. Tetapi apabila sisi lainnya kemudian terhubung ke tanah sementara sisi sebelumnya tidak terselesaikan maka akan terjadi kehilangan arus pada sebagian belitan yang terhubung singkat melalui tanah, akibatnya akan terjadi ketidakseimbangan fluksi yang menimbulkan vibrasi yang berlebihan dan kerusakan yang fatal pada rotor.

4 60 Loss of excitation Kehilangan medan penguat akan membuat putaran mesin naik dan berfungsi sebagai generator induksi. Kondisi ini akan berakibat pemanasan pada rotor dan slot wedges akibat arus induksi yang bersirkulasi pada rotor. Loss of excitation ini dapat diakibatkan oleh: Saklar eksitasi trip Hubung singkat pada rotor Kerusakan sikat arang Kerusakan sistem AVR Over voltage Tegangan yang berlebihan melampaui batas maksimum yang diizinkan dapat berakibat tembusnya desain isolasi yang akhirnya akan menimbulkan hubung singkat antar belitan. Gangguan mekanis (Mechanical/Thermal fault) Generator berfungsi sebagai motor Gangguan ini disebabkan adanya reverse power karena turunnya daya dari prime mover. Dampak kerusakan akibat gangguan ini adalah kerusakan pada prime mover itu sendiri seperti pemanasan berlebih pada sudu dan ketidakstabilan turbin. Overheat setempat

5 61 Pemanasan pada stator ini dapat diakibatkan oleh kerusakan laminasi dan kendornya bagian-bagian didalam stator, seperti pada stator wedges dan ujung terminal belitan. Kesalahan sinkronisasi Belum terpenuhinya syarat-syarat sinkron menjadi penyebab utama gangguan ini, hal ini akan menyebabkan momen puntir yang berlebihan serta gangguan pada PMT. Gangguan cooler generator Gangguan ini akan mengakibatkan kenaikan temperature belitan stator. Gangguan sistem (System fault) Abnormal frequency operation (Frekuensi yang berubah-ubah) Gangguan ini diakibatkan adanya trip pembangkit luar sehingga frekuensi menjadi tidak beraturan, gangguan ini akan mempengaruhi turbin generator. Loss of Synchron (Kehilangan sinkronisasi) Gangguan ini diakibatkan adanya perubahan beban mendadak yang terjadi pada generator. Jika gangguan ini terjadi cukup lama, maka generator akan kehilangan sinkronisasinya. Arus beban tidak seimbang Pembebanan yang tidak seimbang dalam sistem atau adanya gangguan satu phasa dan dua phasa pada sistem menyebabkan generator tidak seimbang dan menimbulkan arus urutan negatif. Arus urutan negatif yang berlebihan akan menginduksikan arus medan berfrekuensi

6 62 rangkap dengan arah yang berlawanan dengan putaran rotor. Hal ini akan menyebabkan adanya pemanasan lebih dan kerusakan pada bagian bagian konstruksi rotor. 4.3 Relay Relay Proteksi Generator Relay sangat berperan penting dalam bidang ketenagalistrikan khususnya bidang pembangkit tenaga listrik. Dalam pembangkitan tenaga listrik sering dijumpai relay proteksi pembangkit, yaitu penggunaan relay untuk memproteksi atau mengamankan peralatan-peralatan listrik seperti generator, sistem eksitasi, trafo utama dan pemakaian sendiri, serta proteksi terhadap motor-motor listrik. Peran relay dalam sistem proteksi sangat penting karena relay akan menjadi kontrol bagi tripping device untuk memberikan perintah trip jika hal tersebut diperlukan. Hal ini dapat dilihat pada gambar: Gambar 4.2 Rangkaian dasar dari relay proteksi Relay Jarak (Distance Relay (21))

7 63 Relay jarak merupakan proteksi utama pada penghantar transmisi, baik tegangan 150 kv maupun 500 kv. Relay ini bekerja dengan cara mengukur tegangan dan arus pada penghantar kemudian menghitung impedansinya. Impedansi hasil perhitungan relay kemudian dibandingkan dengan settingnya. Apabila hasil perhitungan impedansi lebih kecil dari nilai setting maka relay akan memberi perintah lepas (trip) kepada PMT. Setting relay jarak berdasarkan pada daerah atau zone dari saluran transmisi yang akan diproteksi. Zone ini menggambarkan seberapa panjang saluran yang diproteksi oleh pengaman jarak. Secara umum, zone pada relay jarak terdiri dari tiga zone, yaitu: a. Zone I : mengamankan saluran yang diproteksi (protected line) settingnya adalah 80 persen impedansi saluran yang diproteksi. b. Zone II : mengamankan saluran yang diproteksi (protected line) dan saluran sebelahnya (adjacent line) settingnya adalah 120 persen impedansi saluran yang diproteksi. c. Zone III : mengamankan saluran sebelahnya (adjacent line) settingnya adalah saluran yang diproteksi ditambah 120 persen sebelahnya (adjacent line).

8 64 Gambar 4.3 Setelan zona jarak pada relay jarak Gambar 4.4 Setelan waktu pada relay jarak Adapun relay jarak ini bukan relay pengaman utama tetapi merupakan back up protection relay pada generator, yang bekerja mendeteksi gangguan 2 fasa atau 3 fasa di muka generator sampai batas jangkauannya dan berkoordinasi dengan relay-relay lain. Di bawah ini terlihat relay jarak berkoordinasi dengan backup overcurrent relay (51V), dan currentunbalance relay (46) Relay Periksa Sinkron (Synchro Check Relay (25)) Peran relay ini adalah pengamanan bantu generator untuk mendeteksi persyaratan sinkronisasi, jika persyaratan sinkron generator tidak terpenuhi maka relay ini akan memberi sinyal berupa alarm, indikator lampu dan bila perlu memberi perintah trip terhadap CB Relay Tegangan Kurang (Under Voltage Relay (27)) Relay ini berfungsi untuk mendeteksi turunnya nilai tegangan sampai batas yang diperbolehkan. Biasanya relay ini dikombinasikan dengan relay over current (51) untuk mencegah terjadinya gangguan saat generator berupaya kembali normal

9 65 setelah terjadi triping pada generator dan gangguan pada sistem yang menyebabkan tegangan sistem turun sangat rendah. Jika ini terjadi maka stabilitas sistem akan terganggu Relay Daya Balik (Anti Motoring Relay (32)) Generator berfungsi sebagai motor karena hilangnya tenaga penggerak mula (primemover), sedangkan PMT masih masuk dan eksitasi masih ada dimana mesin seharusnya mensuplai tenaga. Dalam keadaan seperti ini generator menerima suplai tenaga listrik dari sistem, adapun bahaya yang ditimbulkan adalah pemanasan lebih pada sudu-sudu turbin dan stabilitas sistem. Untuk mencegah kerusakan akibat gangguan ini maka generator harus dilengkapi dengan relay daya balik yang peka. Fungsi dari relay ini diatur sedemikian rupa misalnya dapat memberikan isyarat peringatan dini atau memberikan isyarat pada rangkaian pemutus tenaga untuk melepaskan generator dari sistem Relay Kehilangan Medan Penguat (Loss of Field Relay (40)) Untuk mencegah terjadinya kehilangan medan penguat pada generator. Ini terjadi bila generator yang sedang dibebani medan penguatnya hilang maka kopling magnet antara rotor dan stator menjadi lemah dan putaran rotor akan mendahului medan magnet stator, sistem kehilangan sinkronisasi. Bila keadaan ini dibiarkan berlangsung dapat membahayakan operasi generator dan sistem. Generator akan bekerja sebagai generator induksi, dimana akan timbul arus sirkulasi yang sangat besar pada permukaan rotor, khususnya pada bagian ujung dan ini dapat menimbulkan panas yang berbahaya pada daerah setempat dan pada ujung lengkungan irisan alur metal. Tegangan induksi atau arus induksi akan timbul

10 66 pada lilitan medan yang tergantung pada apakah lilitan itu terhubung singkat sempurna atau terbuka. Arus sirkulasi ini akan menimbulkan panas dan dapat merusak rotor. Pengaman kehilangan medan penguat dapat diterapkan apabila salah satu atau lebih keadaan ini terpenuhi: a) Jika generator tidak dilengkapi dengan pengatur tegangan otomatis. b) Salah satu generator yang dioperasikan paralel lebih besar dari lainnya. c) Generator mempunyai hubungan listrik yang mudah sekali lepas Negative Phase Sequence Relay / Unbalance Relay (46) Relay ini bekerja jika terjadi pembebanan yang tidak seimbang dalam sistem atau adanya gangguan satu fasa dan dua fasa pada sistem menyebabkan generator tidak seimbang dan menimbulkan arus urutan negatif. Arus urutan negatif yang berlebihan akan menginduksikan arus medan berfrekuensi rangkap dengan arah yang berlawanan dengan putaran rotor. Hal ini akan menyebabkan adanya pemanasan lebih dan kerusakan pada bagian-bagian konstruksi rotor. Relay ini juga bekerja ketika terjadi overheat setempat yang diakibatkan pemanasan pada statordiakibatkan oleh kerusakan laminasi dan kendornya bagian-bagian didalam stator, seperti pada stator wedges dan ujung terminal belitan dan gangguan cooler generator serta gangguan kesalahan sinkron yang menimbulkan momen punter yang berlebihan serta gangguan pada PMT Relay Arus Lebih Sesaat (Instantaneous Over Current Relay (50))

11 67 Fungsi relay ini adalah untuk mendeteksi arus yang melebihi batas yang diperbolehkan dalam waktu sesaat. Gambar 4.5 Aplikasi relay arus lebih sesaat (50) Dari gambar diatas terlihat jelas jika terjadi gangguan pada generator transmorator yang terhubung tanah maka relay ini akan memerintahkan PMT pada bus akan trip Relay Arus Lebih Waktu Tunda (Time Delay Over Current Relay (51)) Relay ini berfungsi untuk mendeteksi arus yang melebihi batas yang diperbolehkan dalam waktu yang telah ditentukan. Relay ini biasanya dikombinasi dengan relay under voltage untuk pengamanan stabilitas sistem dan juga dikombinasikan dengan distance relay untuk back up protection pada generator Relay Tegangan Lebih (Overvoltage Relay (59)) Relay ini dipasang di titik netral generator atau trafo tegangan yang dihubungkan segitiga terbuka dimana fungsi relay ini adalah untuk mendeteksi gangguan stator terhubung ke tanah (59N) dan jika relay ini terpasang pada terminal generator maka relay ini berfungsi untuk mendeteksi arus lebih (59).

12 68 Gambar 4.6Contoh aplikasi relay tegangan lebih Relay Penguat Lebih (Over Excitation Relay (59/81)) Relay ini merupakan gabungan relay arus lebih dan relay frekuensi yang berfungsi untuk mendeteksi penguat lebih pada generator, adapun potensi bahaya yang timbul adalah over flushing pada generator dan generator transformer dan pemanasan yang lebih pada inti stator Relay Keseimbangan Tegangan (Voltage Balance Relay (60)) Relay ini berfungsi untuk mendeteksi hilangnya tegangan dari trafo tegangan ke pengatur tegangan otomatis (AVR) agar tegangan generator tetap konstan dengan kata lain generator akan tetap mengeluarkan tegangan yang selalu stabil tidak terpengaruh pada perubahan beban yang selalu berubah-ubah dikarenakan beban sangat mempengaruhi tegangan output generator. Prinsip kerja AVR adalah mengatur arus penguatan (excitacy) pada exciter.

13 69 Gambar 4.7 Contoh Aplikasi Voltage Balance Relay Relay Stator Hubung Tanah (Stator Gorund Fault Relay (64)) Relay ini berfungsi mendeteksi gangguan hubung tanah pada stator yang menyebabkan rusaknya kumparan stator generator, rusaknya laminasi inti besi stator dan stabilitas sistem terganggu Relay Kehilangan Sinkronisasi (Out of Sync Relay (78)) Relay ini berfungsi mendeteksi kondisi sinkron antara generator dan sistem. Gangguan ini diakibatkan adanya perubahan beban mendadak yang terjadi pada generator dan jika gangguan ini terjadi cukup lama, maka generator akan kehilangan sinkronisasi Relay Frekuensi (Frequency Relay (81)) Relay ini berfungsi untuk mendeteksi nilai frekuensi lebih rendah atau lebih tinggi dari batas yang diizinkan. Gangguan ini dapat diakibatkan adanya trip pembangkit

14 70 luar sehingga frekuensi menjadi tidak beraturan dan gangguan ini akan mempengaruhi turbin generator Relay Pengunci (Lock Out Relay (86)) Fungsi relay ini adalah untuk mengirim sinyal trip dari relay-relay proteksi dan kemudian meneruskan sinyal trip ke PMT, alarm, dan peralatan lainnya. Gambar 4.8 Relay Pengunci (Lock Out Relay) Differential Relay Relay ini bekerja berdasarkan perbedaan diantara besaran arus yang masuk dan arus keluar rangkaian. Ada tiga jenis atau spesifikasi pada relay differential dalam hal penggunaan dan aplikasinya: Differential Relay 87G Differential relay 87G merupakan relay proteksi pada generator yang mendeteksi gangguan pada lilitan stator, gangguan hubung singkat fasa ke

15 71 fasa, hubung singkat fasa ke tanah, hubung singkat antara lilitan dengan lilitan pada fasa yang sama dan rangkaian terbuka. Gangguan diatas tadi akan menyebabkan tegangan lebih, menurunnya ketahanan dielektrik, atau kombinasi keduanya. Gambar 4.9 Prinsip relay differential (87G) Differential Relay 87T Differential relay 87T merupakan relay proteksi pada transformer yang mendeteksi gangguan hubung singkat pada daerah yang diproteksi. Unit Differential Relay 87U Relay ini merupakan unit proteksi bersama yang mendeteksi gangguan baik pada generator maupun transformer. Bila terjadi gangguan pada daerah proteksinya salah satu relay (87G) atau (87T) atau bahkan kedua relay tersebut tidak bekerja, maka unit differential relay bekerja dan akan memerintahkan trip pada PMT.