ANALISIS SETTING RELE PENGAMAN MOTOR BERDASARKAN METODE STARTING MOTOR. STUDI KASUS SISTEM KELISTRIKAN PABRIK SEMEN TONASA IV.

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR - RE 1599 ANALISIS SETTING RELE PENGAMAN MOTOR BERDASARKAN METODE STARTING MOTOR. STUDI KASUS SISTEM KELISTRIKAN PABRIK SEMEN TONASA IV. Nalendra Permana 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

2 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 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

3 ABSTRAK Proses motor starting akan menyerap arus lebih hingga % 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 Pengaman Motor. v

4 -Halaman ini sengaja dikosongkan- vi

5 ABSTRACT During motor startup, motor will draw % 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. vii

6 -Halaman ini sengaja dikosongkan- viii

7 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 Penulis ix

8 -Halaman ini sengaja dikosongkan- x

9 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 Dosen Pembimbing II Prof.Ir.Ontoseno Penangsang, M.Sc,Ph.D. NIP Dimas Anton Asfani, ST, MT. NIP SURABAYA JULI, 2009 iii

10 -Halaman ini sengaja dikosongkan- iv

11 LIST OF CONTENTS TITLE LEGALIZATION PAGE ABSTRACT (INDONESIA) ABSTRACT (ENGLISH) FOREWORD LIST OF CONTENTS LIST OF FIGURES LIST OF TABLES i iii v vii ix xi xv xix CHAPTER I INTRODUCTION 1.1 Background Problems and problem limitations Objection Methodology Material Systematic Relevance 4 CHAPTER II BASIC THEORIES 2.1 Induction Motor Induction Motor Construction Principle Work Of Induction Motor Induction Motor Equivalence Circuit Deciding Circuit Parameter Induction Motor Starting Method Motor Starting Characteristic Direct On-line Starting Autotransformer Soft Starter Wye-Delta Starting Primary Resistor Winding Secondary Resistor Starter Metal Type Liquid Type 29 xi

12 2.2.8 Adjustable Frequency Drives Short Circuit Fault Symetrical Fault Type of Short Circuit Fault Short Circuit Analysis Per-unit Method for Short Circuit Analysis Short Circuit Current Analysis Protective Relay Protective Relay Characteristic 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 Electrical Power Generation of Tonasa IV Cement Industry Substation SS-1 (Raw Mill + Crusher) Substation SS-2 (Kiln + Coal Mill) Substation SS-3 (Finish Mill) Load Profile of Tonasa IV Cement Industry Motor Starter in Tonasa IV Cement Industry Existing Setting of Overcurrent Relay in Tonasa IV Cement Industry Analysis Steps and Final Project`s Simulation Secondary Resistance Liquid Starter Modelling and Motor Starting Simulation Using ETAP Info Page Model Page Time Page Protection Setting Using PowerPlot Protective Relay Calculation 65 CHAPTER IV SIMULATION RESULT AND ANALYSIS 4.1 Motor Starting Modelling Electrical System Analysis 81 xii

13 4.3 Short Circuit Current Analysis Existing Relay Setting Analysis Resetting Protective Relay Motor 402CR01M Setting of Protective Relay Motor 411FA06M1 Until Main Bus 70 kv 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 xiii

14 -Halaman ini sengaja dikosongkan- xiv

15 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 Kurva torka-kecepatan dan kurva arus-kecepatan 14 Gambar 2.11a. Respon motor f = Gambar 2.11b. Respon motor f = 1 15 Gambar 2.11c. Respon motor f = 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 xv

16 Gambar Fasor tiga komponen urutan fasa 30 Gambar Macam-macam hubungan singkat 31 Gambar Single line diagram sebelum diubah menjadi diagram 33 reaktansi Gambar Diagram reaktansi dari single line diagram Gambar Gambar Karakteristik arus lebih instaneous 37 Gambar Karakteristik arus lebih definite 37 Gambar Karakteristik arus lebih inverse 38 Gambar Skema rele arus lebih 38 Gambar 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 Tampilan motor characteristic model library editor. 59 Gambar Tampilan induction motor editor 60 Gambar Info page 61 Gambar Model page 61 Gambar Time page 62 Gambar Tampilan user curve 64 Gambar 4.1. Diagram alir perhitungan respon motor dengan liquid 68 starter 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 85 xvi

17 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 Gambar B.1 Proses produksi semen 113 xvii

18 -Halaman ini sengaja dikosongkan- xviii

19 DAFTAR ISI Judul Lembar Pengesahan Abstrak Abstract Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Gambar Daftar Tabel i iii v vii ix xi xv xix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Permasalahan dan Batasan Masalah Tujuan Metode Penelitian Sistematika Pembahasan Relevansi 4 BAB II DASAR TEORI 2.1 Motor Induksi Konstruksi Motor Induksi Prinsip Kerja Motor Induksi Rangkaian Ekivalen Motor Penentuan Parameter Rangkaian Metoda Starting Motor Induksi Karakteristik Starting Motor Direct On-line Starting Autotransformer Soft Starter Wye-Delta Starting Primary Resistor Winding Secondary Resistor Starter Tipe Metal Tipe Liquid 29 xi

20 2.2.8 Adjustable Frequency Drives Gangguan Hubung Singkat Komponen Simetri Jenis Gangguan Hubung Singkat Analisa Hubung Singkat Metode Per-unit untuk Analisa Hubung Singkat Perhitungan Arus Hubung Singkat Rele Pengaman Karakteristik Rele Pengaman 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 Sistem Pembangkit Tenaga Listrik di Pabrik Semen Tonasa IV Substation SS-1 (Raw Mill + Crusher) Substation SS-2 (Kiln + Coal Mill) Substation SS-3 (Finish Mill) Pola Pembebanan pada Sistem Kelistrikan Pabrik Semen Tonasa IV Penggunaan Motor Starter di Pabrik Semen Tonasa IV Peralatan Pengaman Arus Lebih Langkah Analisis dan Simulasi Tugas Akhir Pemodelan Resistor Sekunder Liquid dan Simulasi Motor Starting pada Perangkat Lunak ETAP Info Page Model Page Time Page Setting Pengaman pada Perangkat Lunak PowerPlot Perhitungan Setting Pengaman 65 BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISIS 4.1 Pemodelan Motor Starting Analisa Sistem Kelistrikan Perhitungan Arus Hubung Singkat 81 xii

21 4.4 Analisis Setting Rele Existing Resetting Rele Motor 402CR01M Setting Rele Motor 411FA06M1 hingga Main Bus 70 kv 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 xiii

22 -Halaman ini sengaja dikosongkan- xiv

23 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Tabel nilai X 1 dan X 2 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 Tabel 3.9. Data motor induksi SS-3(SG7) 48 Tabel Data beban lump SS-3(SG7) 48 Tabel Data motor induksi SS-3(SG6) 49 Tabel Data beban lump SS-3(SG6) 49 Tabel Persen loading pada setiap beban 51 Tabel 3.14 Data tipe motor starter 53 Tabel Tabulasi setting eksisting rele pada bus high voltage 70 kv 53 Tabel 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 82 SG2 Tonasa IV Tabel 4.9. Impedansi hubung singkat sistem kelistrikan (Ω) 87 Tabel Arus hubung singkat pada bus motor medium voltage 87 xix

24 - Halaman ini sengaja dikosongkan- xx