2. TEORI PENUNJANG 1. PENDAHULUAN. Martinus Tri Wibowo, Ir. R. Wahyudi, Dedet Candra Riawan, S.T, M.Eng Jurusan Teknik Elektro FTI ITS

Transkripsi

1 Studi Koordinasi Rele Pengaman Dan Ketahanan Peralatan Akibat Integrasi Sistem Kelistrikan PT Pindo Deli Pulp & Paper Mills Dan PT Dian Swastatika Sentosa-Karawang 1 Martinus Tri Wibowo, Ir. R. Wahyudi, Dedet Candra Riawan, S.T, M.Eng Jurusan Teknik Elektro FTI ITS Abstrak - PT Pindo Deli Pulp dan Paper Mills (PD1) merupakan perusahaan yang memproduksi kertas dengan total beban sebesar 34 MW yang disuplai dari PLN. Kebutuhan tenaga listrik yang cukup tinggi ini disuplai dari 3 feeder melalui transformator daya 70/0 kv. Untuk meningkatkan keandalan dan kebutuhan daya listrik, sistem kelistrikan PD1 diintegrasikan dengan sistem kelistrikan PT Dian Swastatika Sentosa-Kerawang 1 (PT DSS-KR1). PT DSS-KR1 memiliki unit Generator pembangkit bertenaga uap (STG) yang berkapasitas 30 MW dengan tegangan keluaran 11 kv dan 5 MW dengan tegangan keluaran 6.6 kv. Kedua level tegangan ini kemudian dinaikkan menjadi 0 kv oleh step up transformator. Tegangan ini disalurkan menuju bus utama yang sekaligus dipakai sebagai sistem pendistribusian tenaga listrik. Proses pengintegrasian menyebabkan perubahan dalam level short circuit.koordinasi sistem pengaman diperlukan untuk mengisolir gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik,sehingga gangguangangguan yang terjadi dapat dilokalisir dari sistem yang sedang berjalan. Hal ini akan meningkatkan keandalan sistem karena gangguan yang terjadi tidak sampai mengganggu apalagi merusak sistem. Berubahnya level short circuit mengharuskan peninjauan ulang terhadap ketahanan peralatan. Tugas akhir ini menganalisa ketahanan peralatan dari level short circuit dan seting dari peralatan pengaman yang sudah terpasang serta membahas koordinasi peralatan pengaman dalam pengintegrasian sistem kelistrikan DSS-KR1 dan PD1 untuk mendapatkan seting peralatan pengaman yang lebih tepat. Kata Kunci : short circuit, koordinasi, setting rele pengaman 1. PENDAHULUAN arus gangguan agar tidak terjadi kerusakan pada peralatan dan menjaga kontinuitas pelayanan pada bagian sistem tenaga listrik yang tidak mengalami gangguan. Arus gangguan yang mengalir pada sistem tenaga listrik menyebabkan beroperasinya rele proteksi dan menggerakkan pemutus tenaga (PMT) sehingga terputus aliran daya yang mengalir pada saluran tersebut. Gangguan yang terjadi pada saluran transmisi tenaga listrik disebabkan oleh dua faktor, yaitu faktor dalam dan faktor luar. Gangguan dari faktor dalam yaitu gangguan yang disebabkan adanya kerusakan suatu peralatan sedangkan gangguan dari faktor luar yaitu gangguan yang disebabkan oleh lingkungan alam. Gangguan ini menyebabkan parameter listrik menjadi abnormal dan berpotensi merusak peralatan lain yang digunakan dalam operasi sistem tenaga listrik. Koordinasi sistem pengaman diperlukan dalam mengatasi gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik,sehingga gangguan-gangguan yang terjadi dapat dilokalisir dari sistem yang sedang berjalan. Pada kasus ini PT Pindo Deli Pulp and Paper Mills (PD1) mengintegrasikan sistem kelistrikannya dengan PT Dian Swastatika Sentosa untuk meningkatkan keandalan dan tercukupinya kebutuhan daya sistem. Dengan adanya integrasi tersebut akan mengakibatkan sistem mengalami perubahan dalam level short circuit pada sistem semula,sehingga akan mengakibatkan perubahan seting pengaman pada sistem semula.. TEORI PENUNJANG.1 Perhitungan Arus Hubung Singkat Perhitungan praktis untuk menghitung besar arus hubung singkat dalam sistem distribusi tegangan menengah dapat dilakukan sebagai berikut : a. Gangguan hubung singkat tiga phasa Sistem tenaga listrik tidak dapat lepas dari terjadinya ganguan. Gangguan yang terjadi pada sistem tenaga disebabkan oleh banyak faktor. Ketika terjadi gangguan maka sistem proteksi tenaga listrik harus dapat mengisolasi 1 Ihs = 3ϕ V N Z 1...(1)

2 b. Gangguan hubung singkat phasa phasa 3 V N Ihs =. () ϕ Z + Z 1 Z1 dan Z masng- masing merupakan impedansi urutan positif dan negatif dan V N adalah tegangan phasa to netral.. Rele Arus Lebih (OCR) Rele arus lebih merupakan suatu jenis rele yang bekerja berdasarkan besarnya arus masukan, dan apabila besarnya arus masukan melebihi suatu harga tertentu yang dapat diatur (I p ) maka rele arus lebih bekerja. Dimana I p merupakan arus kerja yang dinyatakan menurut gulungan sekunder dari trafo arus (CT). Bila suatu gangguan terjadi didalam daerah perlindungan rele, besarnya arus gangguan If yang juga dinyatakan terhadap gulungan sekunder CT juga. Rele akan bekerja apabila memenuhi keadaan sebagai berikut : If > Ip rele bekerja (trip) If < Ip tidak bekerja (Blok).3 Penyetelan Rele Arus Lebih Penyetelan arus untuk rele arus lebih mempunyai batasan besarnya arus.pada dasarnya batas penyetelan rele arus lebih adalah rele tidak boleh bekerja pada saat beban maksimum. Arus settingnya harus lebih besar dari arus beban maksimum. pada tugas akhir ini lebih amannya menggunakan konstanta 1.05 Isett. Jadi untuk settingnya dapat dilihat sebagai berikut: I set = 1,05 x I nominal I set I s = rasio_ct dimana : I s = arus seting Pada penyetelan rele arus lebih juga harus memperhatikan batas maksimum setting, untuk alasan keamanan dan back up hingga ke sisi muara (downstream) estimasi setting ditetapkan : I set 0.8 I sc, min I sc, min adalah arus hubung singkat phasa dengan pembangkitan minimum yang terjadi diujung saluran seksi berikutnya. Besar arus ini diperoleh dari arus hubung singkat 3 phasa pada pembangkitan minimum dikalikan 0,866. Mengacu pada konsep diatas persyaratan setelan arus dapat dirumuskan sebagai berikut : 1,05 I maks < Is < 0,8 Isc min Untuk operasi yang selektif, apabila terdapat beberapa rele arus lebih pada suatu jaringan radial. Maka rele pada ujung yang terjauh dari sumber harus disetel untuk dapat bekerja pada waktu yang sesingkat mungkin. Untuk jenis rele arus yang lebih karakteristik inverse, setelan waktunya ditentukan pada saat arus gangguan maksimum..4 Karakteristik Rele Arus Lebih Rele Arus Lebih Instant ( Instantaneous OCR ) Prinsip kerja rele jenis ini adalah tanpa penundaan waktu, tapi masih bekerja dengan waktu cepat sebesar 0.1detik, pada umumnya kurang dari 0.08 detik. 1. Rele arus lebih definite (Definite OCR) Setelan proteksi dengan menggunakan karakteristik definite time yang di setting pada rele hanya didasarkan pada waktu kerjanya proteksi dengan tidak melihat besarnya arus gangguan. rele OCR dengan karakterisitik definite. Keuntungan dari karakteristik definite adalah koordinasinya mudah dan waktu kerjanya tidak tergantung pada perubahan kapasitas pembangkit. Disamping keuntungan adapula kerugiannya, yaitu terjadi kumulasi waktu pada rele dihulu. Untuk sistem yang besar, arus gangguan besar dalam hal ini kumulatif waktu tidak digunakan. Rele arus lebih inverse (Inverse OCR) Setelan proteksi dengan menggunakan karakteristik inverse time rele, karakteristik grafiknya terbalik antara arus dan waktu, dimana semakin besar arus gangguan hubung singkat maka semakin kecil waktu yang dibutuhkan untuk membuka pemutus (PMT) sehingga dalam settingnya nanti rele jenis ini perlu mengetahui besarnya arus hubung singkat untuk tiap seksi di samping arus nominalnya serta kurva karakteristik rele Inverse Definite Minimum Time (IDMT) Rele dengan karakteristik ini mempunyai kombinasi antara invers dan definite time rele. Rele bekerja pada daerah invers jika arus gangguan minimum melebihi arus setting rele, sedangkan jika arus gangguan maksimum rele bekerja pada daerah definite tergantung pada setelan waktunya. Dengan karakteristik ini maka rele harus mampu bekerja untuk gangguan fasa di ujung akhir seksi berikutnya pada kondisi pembangkitan minimum. Arus setting-nya harus lebih besar dari arus beban maksimum. Penyetelannya pun harus memperhatikan kesalahan pick up sesuai dengan British Standard Pick Up = 1.05 s/d 1.3 Iset.5 Seting kelambatan waktu Penyetelan rele arus lebih dapat dilakukan berdasarkan setelan waktu, setelan arus maupun kombinasi keduanya. Berdasarkan Standard IEEE 4 waktu yang dibutuhkan untuk kerja rele sampai circuit breaker membuka adalah s, dengan asumsi:

3 Waktu terbuka circuit breaker 5 cycle : 0.08 detik Overtravel dari rele : 0.1 detik Faktor keamanan : 0. detik Untuk rele static dan rele digital berbasis mikroprosesor overtravel dari rele dapat diabaikan. Dari Standard tersebut ditentukan koordinasii antara dua rele yang bekerja sebagai rele utama dan rele backup adalah 0.3s. t set = t + t dimana : t =0.3 detik t = setting waktu pada feeder 3 SISTEM KELISTRIKAN DI PD1 DAN DSS KARAWANG 3.1 Sistem Jaringan PT Pindo Deli Pulp Dan PT Dian Swastatika Sentosa Pada sistem kelistrikan PD1 ini terdapat tiga buah transformator utama 70/0 kv yang memiliki kapasitas 31.5 MVA (dua buah transformator) dan 15 MVA yang langsung terhubung pada suplai PLN. Masing-masing transformator tersebut terhubung pada bus induk beban yaitu BUS 1 yang terhubung pada transformator TR1, BUS yang terhubung pada transformator TR dan BUS 4 yang terhubung pada transformator TR3. Bus-bus utama ini saling terhubung melalui tie line. Bus 1 terhubung pada bus 3 melalui tie line dengan operasi normal open. Bus 3 terhubung dengan bus melalui tie line dengan operasi normal close. Sedangkan bus 4 terhubung dengan sistem melalui bus integrasi yaitu bus DSS Main melalui tie line (OTIE ). Bus 1 dan bus juga terhubung ke bus DSS Main masing-masing melalui tie line (OTIE 1) dan tie line (OTIE 3). Gambar 3.1 Area PT Pindo Deli Pulp 3. Beban pada Sistem Kelistrikan PT Pindo Deli Pulp dan PT Dian Swastatika Sentosa telah dijelaskan bahwa terdapat 4 bus induk yang disuplai oleh tiga fedeer PLN dan Generator berkapasitas 30 MW. Masing-masing bus induk tersebut dibebani oleh total beban sebesar 34 MW. 3.3 Kapasitas Suplai Tenaga Untuk menanggungg beban yang besar, PD1 disuplai oleh PLN melalui tiga feeder dan oleh dua Generator.. Feeder PLN 1 menyuplai melalui unit transformator dengan kapasitas 31.5 MVA. Feeder PLN menyuplai melalui unit transformator dengann kapasitas 31.5 MVA, feeder PLN 3 menyuplai melalui unit transformator dengan kapasitas 15 MVA, STG menyuplai daya sebesar 4 MW dan STG EMG dengan kapasitas 5 MW digunakan untuk keperluan beban puncak. Pada operasi normal, hanya feeder PLN 1 dan STG yang beroperasi. Berikut adalah tabel data kapasitas suplai daya PT PD1 dan PT DSS KR1 : TABEL 3.1. Data Kapasitas Pembangkit di PT Pindo Deli Pulp No ID MVA KV PF(%) 1 TR /0 - TR /0-3 TR /0-4 STG STG EMG TABEL 3.. Tabulasi seting eksisting pengaman arus lebih PT DSS Karawang Existing Rele CT ratio Curve Tap Time Dial Inst Delay 1G 600/5 IEC SI G 600/5 IEC SI G 600/5 IEC SI G 100/5 IEC SI G 100/5 IEC SI G 100/5 IEC SI G 300/5 IEC SI G 300/5 IEC SI G 1600/5 IEC SI GCB1 100/5 V.Inverse GCB 100/5 V.Inverse GCB3 600/5 V.Inverse Gambar 3. Area PT Dian Swastatika Sentosa 3

4 4 ANALISA KOORDINASI RELE PENGAMAN ARUS LEBIH PT PINDO DELI PULP & PAPER MILLS DAN PT DIAN SWASTATIKA SENTOSA 4.1 Analisa Ketahanan Peralatan Sistem Proteksi Hasil runing ETAP untuk duty menunjukan bahwa ada beberapa peralatan pengaman yang kemampuannya dalam menahan besarnya arus hubung singkat ½ sampai 1 cycle (arus hubung singkat momentary) lebih kecil dari arus hubung singkat yang melewatinya. Peralatan tersebut adalah busbar pada BUS 1 dan BUS dan peralatan pengaman yang terpasang pada bus tersebut. Untuk mengatasi permasalahan tersebut dibutuhkan suatu solusi. Mengganti peralatan pengaman dengan kemampuan menahan arus hubung singkat yang lebih tinggi jelas diperlukan biaya yang tidak sedikit. Untuk menanggulangi hal tersebut sistem existing pabrik menggunakan komponen pembatas arus berupa Is-Limitter. Komponen ini terpasang pada line OTIE 1 dan line OTIE 3. Is-limitter yang terpasang pada line OTIE 1 digunakan untuk melindungi peralatan pengaman pada BUS1 ketika terjadi hubung singkat di BUS1 dan Is-limitter yang terpasang pada line OTIE 3 digunakan untuk melindungi peralatan pengaman yang terdapat pada BUS ketika terjadi hubung singkat pada bus ini. 4. Analisa Arus Gangguan Hubung Singkat Dalam tugas akhir ini perhitungan-perhitungan akan dilakukan dengan memakai simulasi ETAP Power Station. Perhitungan yang dilakukan menyangkut arus hubung singkat maksimum (hubung singkat 3Ø pada saat pembangkitan maksimum) dan arus hubung singkat minimum (hubung singkat Ø pada saat pembangkitan minimum) atau dengan cara mengalikan arus hubung singkat maksimum dengan koefisien 0,866 pada kondisi pembangkitan minimum. Untuk perhitungan ini digunakan dua konfigurasi yang mewakili hubung singkat minimum dan maksimum yaitu : Hubung singkat maksimum : Pada saat feeder PLN melalui TR1, STG 30 MW dan STG EMG 5 MW on. Hubung singkat minimum : Pada saat feeder PLN melalui TR1 dan STG 30 MW on. Seting Rele untuk Motor FF1 hingga Bus DSS MAIN 0 kv Single line diagram untuk Motor FF1 hingga bus DSS MAIN adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut : Koordinasi mulai bus motor FF1 hingga bus BUS1, dan STG 30 MW. Rele yang dikoordinasikan adalah WDH-81, 5G, 1G,, 11G, GCB1. Rele motor WDH-81 = WDH-81 = SI IEC I sc max 4 cycle bus HV S CONS 3.3 kv = A I sc min 30 cycle Bus HV S CONS 3.3 kv = A = 98.1 A nct = 50/ In Ip 0.41 In Ip 3.1 In Dipilih Ip = 0.5 In Seting aktual Ipp = 0.5 x 50 = 15 A Seting arus (I>>).. Iset. Iset In Iset 3.1 In Dipilih I set = 8 In In Setting waktu ( t>> ) : 0.1 s Rele ini digunakan untuk mengamankan motor FF1 terhadap kemungkinan terjadinya arus hubung singkat yang terjadi pada bus HV S CONS., untuk penyetelan low set (I>) digunakan arus motor, sedangakan untuk penyetelan high set (I>>) digunakan arus hubung singkat mínimum pada bus HV S CONS.. Menggunakan kurva Extremely inverse dengan grading waktu 0,1 detik. Rele 5G =MICOM P15 = IEC SI I sc max 4 cycle Bus Dss Main CONS 0 kv = A I sc max 30 cycle Bus HV S CONS 3.3 kv = A x = 1915 A I sc min 30 cycle bus DSS MAIN 0 kv = A = A nct = 300/ In Ip 7.9 In Dipilih Ip = 0.7 In Aktual seting Ipp = 0.7 x 300 = 10 A Time Setting IDMT ( Time Dial ) Waktu operasi ts = 0,1 T = time dial Gambar 4.1 Single Line Diagram Motor FF1 hingga Feeder PLN 4

5 ts = T x α. 0.1 = T x. T = 0.07 T set 0.07 dipilih T = 0.13 Current setting High Set (I>>).. In Ip In.. In Ip In 6.38 In Ip 7.9 In Dipilih Iset = 7 In Setting waktu ( t>> ) : 0.1 Rele ini digunakan untuk mengamankan tafo terhadap kemungkinan terjadinya arus hubung singkat yang terjadi pada bus dibawahnya, untuk penyetelan low set (I>) digunakan arus sekunder trafo HV S CONS, sedangkan untuk penyetelan high set (I>>) digunakan arus hubung singkat mínimum pada bus DSS MAIN. Menggunakan kurva inverse dengan setting waktu 0,1 detik. Rele 1G = MICOM P15 = IEC SI I sc max 30 cycle OTIE1 0 kv = A I sc min 30 cycle bus OTIE1 0 kv = 7.490A = 484 A nct = 600/ In Ip 9.9 In Dipilih Ip = 1 In Actual setting Ipp = 1 x 600 = 600 A Time Setting IDMT ( Time Dial ) Waktu operasi ts = 0,5 T = time dial ts = T x 0.6= T x T = 0.5 α.. T set 0.5 dipilih T = 0.5 Current setting High Set (I>>) Maka setting =. In Ip.. Ip 3.1 In Ip 9.9 In Dipilih Iset = 6 In Setting waktu ( t>> ) : 0.6 In 5 Rele ini digunakan untuk mengamankan tafo terhadap kemungkinan terjadinya arus hubung singkat yang terjadi pada bus dibawahnya, untuk penyetelan low set (I>) digunakan arus yang lewat OTIE 1, sedangkan untuk penyetelan high set (I>>) digunakan arus hubung singkat mínimum pada kabel OTIE 1. Menggunakan kurva inverse dengan setting waktu 0,6 detik. Rele GCB1 = SPAJ 140C = Very Inverse I sc max 30 cycle feeder PLN 0 kv = A I sc min 30 cycle feeder PLN 0 kv = A = 90 A nct = 100/ In Ip 5.3 In Dipilih Iset = 0.8 In Actual setting Ipp = 0.8 x 100 = 960 A Time Setting IDMT ( Time Dial ) Waktu operasi ts = 0.9 T = time dial ts = T x 0.9 = T x T = 0.3 α.. T set 0.3 dipilih T = 0.35 Current setting High Set (I>>). Ip In 0.8 x 7956 Ip In 100 Ip 5.3 In Dipilih Iset = 4 In Setting waktu ( t>> ) : 0.9 Rele ini digunakan untuk mengamankan tafo terhadap kemungkinan terjadinya arus hubung singkat yang terjadi pada bus dibawahnya, untuk penyetelan low set (I>) digunakan arus sisi primer transformator, sedangkan untuk penyetelan high set (I>>) digunakan arus hubung singkat mínimum pada bus BUS1. Menggunakan kurva very inverse dengan seting waktu 0.9 detik. 5 KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis ulang yang telah dilakukan untuk koordinasi seting pengaman rele arus lebih pada PT Pindo Deli Pulp & Paper Mills dan PT Dian Swastatika

6 Sentosa-Karawang, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Pengintegrasian sistem menyebabkan bertambahnya level arus hubung singkat. Nilai ini melebihi kemampuan busbar BUS1 dan BUS dalam menahan arus hubung singkat symetri momentari sebesar 16 ka.. Untuk mengamankan busbar BUS1 dan BUS dari kerusakan akibat arus hubung singkat maka pada Bus DSS MAIN dekat line OTIE1 dan OTIE3 dipasang Is- PT Pindo deli Limitter. 3. Akibat pengintegrasian sistem kelistrikan Pulp & Paper Mills dan PT Dian Swastatika sentosa Karawang menyebabkan perubahan nilai arus hubung singkat. Dalam tugas akhir ini seting eksisting rele pengaman telah direseting berdasarkan arus hubung singkat yang baru sehingga koordinasi rele arus lebih sudah tercapai. Hasil Koordinasi Reseting Rele Pengamann : Lanjutan TABEL 4.1 Eksisting CT Time Rele ratio Curve Tap Dial Inst. Delay 5G 300/5 IEC SI G 300/5 IEC SI G 1600/5 IEC SI GCB1 100/5 V.Inverse GCB 100/5 V.Inverse GCB3 600/5 V.Inverse DAFTAR REFERENSI [1] Stevenson Jr, Analisa Sistem Tenaga ", Jakarta: Erlangga [] Ontoseno Penangsang Prof,Diktat kuliah Analisa Sistem Tenaga 008. [3] ETAP 6.0,IEC Standard for Short Circuit Current. [4] Hewitson, L.G, Practical Power System Protection,An imprint of Elsevier Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX 8DP.004. [5] Irwin Lazar," Electrical Systems Analysis and Design for Industrial Plants ",McGraw-Hill Book Company. [6] Deshpande, Switchgear and Protection, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, [7] IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power System,IEEE Standart [8] General Electric, Protection Guide Motor Protection [9] ABB, Overcurrent and Earth Fault Relay-User s Manual and Technical description. [10] R.Wahyudi Ir,Diktat Kuliah Sistem Pengaman Tenaga Listrik [11] ABB, Calor Emag Medium Voltage Products-Is Limitter. BIODATA PENULIS Martinus Tri Wibowo dilahirkan di Probolinggo, 6 Maret Penulis adalah putra dari pasangan Supardji dan Suwartini. Penulis memulai jenjang pendidikan di SDN Sebaung III, SLTPN 1 Gending dan SMAN 4 Probolinggo hingga lulus tahun 006. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang perguruan tinggi dan diterima di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada Jurusan Teknik Elektro, dan kemudian mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah, penulis juga aktif sebagai Asisten LIPIST B04. Penulis bisa dihubungi melalui martin8its8@gmail.com Gambar 4.10 Koordinasi Proteksi Resiting Mulai Motor FF1 Hingga PLN TABEL 4.1. Tabulasi seting pengaman arus lebih PT DSS Karawang Reseting CT Time Rele ratio Curve Tap Dial Inst. Delay 1G 600/5 IEC SI G 600/5 IEC SI G 600/5 IEC SI G 100/5 IEC SI G 100/5 IEC SI G 100/5 IEC SI