Studi Perencanaan Penggunaan Proteksi Power Bus di Sistem Kelistrikan Industri Gas

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Studi Perencanaan Penggunaan Proteksi Power Bus di Sistem Kelistrikan Industri Gas Sandi Agusta Jiwantoro, Margo Pujiantara, dan Dedet Candra Riawan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya pandawalima.005@gmail.com, margo@ee.its.ac.id, dedet@ee.its.ac.id, Abstrak Perkembangan dunia industri yang pesat menyebabkan peningkatan daya tenaga listrik dengan sistem jaringan yang lebih besar. Kondisi ini menyebabkan sistem kelistrikan menjadi komplek. Sehingga sistem menjadi lebih rentan terhadap gangguan. Peningkatan level arus gangguan di sistem tegangan menengah yang banyak digunakan Industri mengharuskan pembahasan lebih lanjut tentang proteksi di bus. Dalam upaya meningkatkan kegiatan operasionalnya, sebuah indutri gas akan mengoperasikan 4 unit kompresor baru dengan kapasitas sebesar 350 kw dan 240 kw. Untuk melayani beban beban tersebut diperlukan ekspansi bus eksisting dengan cara menambahkan bus baru. Pada pengoperasiannya busbar mengalami gangguan dan sistem proteksi gagal mengamankan. Oleh karena itu, perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial pada busbar. Pada Tugas Akhir ini dibahas desain proteksi diferensial bus high impedance untuk kompresor baru. Dimana pada skema ini terdapat elemen rele tegangan lebih, rele arus, metal oxide varistor, dan rele lockout serta elemen resistansi dengan nilai yang tinggi. Dari hasil menunjukkan bahwa desain diferensial mampu membaca arus gangguan kecil yang tidak terdeteksi oleh rele overcurrent. Kata Kunci Proteksi Bus, Proteksi Diferensial, Desain Proteksi Diferensial Bus High Impedance. I I. PENDAHULUAN ndustri akan selalu berkembang mengikuti pertumbuhan zaman. Semakin berkembangnya suatu industri akan diikuti oleh bertambahnya proses produksi pada industri tersebut. Hal ini mengakibatkan bertambahnya jumlah beban produksi yang baru. Keberlangsungan proses produksi harus tetap dijaga dalam keadaan yang terbaik agar mampu menghasilkan produk dengan optimal. Sistem kelistrikan yang menunjang proses produksi sebuah industri menjadi komponen utama dalam keberlangsungan sebuah produksi. Sebuah industri gas, dalam upaya meningkatkan kegiatan operasionalnya akan mengoperasikan 4 unit kompresor baru dengan kapasitas sebesar 350 kw dan 240 kw. Untuk melayani beban tersebut dilakukan ekspansi bus eksisting dengan cara menambahkan bus baru. Pada pengoperasiannya busbar mengalami gangguan dan sistem proteksi gagal mengamankan. Oleh karena itu, perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial pada busbar. Proteksi ini berguna untuk melindungi bagian busbar yaitu bagian yang berada di dalam zona pengaman diferensial. Sehingga bila terjadi gangguan dapat diisolasi dan tidak mengganggu sistem bagian yang lain serta kerusakan peralatan dapat dihindari. A. Rele Diferensial. II. PROTEKSI DIFERENSIAL Rele diferensial merupakan suatu rele yang prinsip kerjanya berdasarkan kesimbangan (balance), yang membandingkan arus-arus sekunder transformator arus terpasang pada terminalterminal peralatan atau instalasi listrik yang diamankan. Rele diferensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada busbar bila terjadi suatu gangguan. Rele ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat. B. Rele Diferensial. Rele diferensial tegangan bekerja menggunakan respon tegangan atau impedansi tinggi. Transformator arus diperlukan dalam setiap line yang tersambung dengan bus seperti ditunjukkan pada gambar 1. Proteksi diferensial tegangan pada bus tidak terbatas pada jumlah sumber dan load feeder. Bekerja dengan kecepatan tinggi 1 cycle hingga 3 cycle. Mempunyai sensifitas tinggi, dapat bekerja pada gangguan arus phasa atau gangguan arus ke tanah dengan besaran yang kecil. Semua transformator arus harus memiliki rasio yang sama.[4] Pada proteksi diferensial perlu memperhatikan saturasi transformator. Agar current transformer (CT) bisa mendeteksi adanya gangguan dengan baik dibutuhkan CT dengan nilai knee point minimal dua kali tegangan terbangkit. [1] Gambar 1 Rele Diferensial

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Rele harus memenuhi dua persyaratan.[4] Pertama, tidak bekerja / trip untuk setiap gangguan yang berada di luar zona pengaman. Kedua, harus dapat bekerja untuk semua gangguan yang berada di dalam zona pengaman Dengan mempertimbangkan persyaratan pertama, lihat gambar 1. Asumsikan bus dengan tiga buah pemutus mengalami gangguan pada lokasi yang ditunjukkan pada F 3. Untuk gangguan F 3, arus gangguan I 3 mengalir melalui circuit breaker 3. I 3 berasal dari aliran arus pada circuit breaker 1 dan circuit breaker 2. Dengan nilai setiap arus yang mengalir pada circuit breaker 1 dan circuit breaker 2 lebih kecil dengan jumlah yang sama dengan I 3. Assumsikan bahwa CTs memiliki sifat ideal. Maka arus CT sekunder yang dihasilkan dari circuit breaker 3 sama dengan jumlah arus yang dihasilkan dari circuit breaker 1 dan circuir breaker 2. Arus ini mengalir pada sirkuit sekunder dan menghasilkan tegangan pada titik A dan titik B. C. Skema Diferensial Impedansi Tinggi Impedansi pada diferensial memiliki resistansi tinggi yaitu 1000 ohm sampai dengan 2000 ohm.. Semua CTs terhubung secara paralel. Titik persimpangan (junction point) setiap rangkaian CTs terhubung ke elemen impedansi tinggi masingmasing. Semua CTs harus mampu mengalirkan arus yang melalui impedansi tinggi, dimana terdapat stabizing resistor yang menimbulkan tegangan untuk dibaca oleh rele overvoltage. External Fault Internal Fault High impedance bus differential scheme CT-1 CT-2 CT-3 CT-4 59 F-1 F-2 F-3 F-4 Gambar 2 Skema Impedansi Tinggi Skema diatas menggunakan Metal Oxide Varistor (MOV) yang dipasang secara paralel dengan stabilizing resistor. Sebuah MOV dipilih untuk untuk menahan tegangan pada level safety maksimum. Peralatan 50 digunakan untuk memberi sinyal yang dibutuhkan selama arus diferensial mengalir misalnya untuk inisialisasi kegagalan pemutus (breaker failure initiate). Peralatan 86 digunakan untuk memberikan sinyal trip pada breaker. Junction box III. SISTEM KELISTRIKAN Pada sistem kelistrikannya terdapat lima rating tegangan yang digunakan, yaitu : KV. 20 KV ini berada pada daerah bus PLN Utility KV. 50 Rs MOV 86 ini berada di daerah outgoing dari generator yang ada KV. 4. 3,3 KV. ini berada di bus 1APD-MCC-1 dan bus 1APD-MCC-2 yang di supply dari dua buah transformator yang berhubungan parallel, yaitu 1APD-XF-1 dan 1APD-XF-2, yang masing-masing transformator berkapasitas 2 MVA. Selain itu ada bus 31 yang terhubung dengan 4 unit kompresor yaitu kompresor GC 1A, GC-1B, GC-1C serta kompresor BC KV. Pada kondisi operasi normalnya, pembangkitan dilayani oleh tujuh unit generator dan satu utility PLN. Rincian pembangkitan pada operasi normal dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah ini. Tabel 1. Data Pembangkit Tenaga Listrik di Industri Gas No. Nama Generator Kapasitas Daya Keterangan 1 1TGK-CTG MW 11 kv; 80% pf; MVA; 4 pole; Voltage Control 2 1TGK-CTG MW 11 kv; 80% pf; MVA; 4 pole; Voltage Control 3 1TGK-CTG MW 11 kv; 80% pf; MVA; 4 pole; Voltage Control 4 1TGA-STG-1 9 MW 11 kv; 85% pf; MVA; 4 pole; Voltage control 5 1TGG-GEG-1 3 MW 11 kv; 80% pf; 3.75 MVA; 4 pole; Voltage Control 6 1TGG-GEG-2 3 MW 11 kv; 80% pf; 3.75 MVA; 4 pole; Voltage Control 7 1TGG-GEG-1 3 MW 11 kv; 80% pf; 3.75 MVA; 4 pole; Voltage Control 8 PLN Utility MW 150 kv; 800 VAsc; Swing Sistem kelistrikan yang di suplai dari tujuh unit generator dan satu utility PLN akan didistribusikan ke seluruh beban yang ada. Pendistribusian ini didukung oleh beberapa transformator daya dengan rating tegangan tertentu. Berikut ini adalah Tabel 2, yang berisikan rating tegangan dan kapasitas transformator. Tabel 2. Data Transformator di Industri Gas No Transformator Primer KV Sekunder MVA kv 1 1APC-XF

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Tabel 2. Data Transformator di Industri Gas (lanjutan) No Transformator Primer KV Sekunder KV MVA 2 1APC-XF APD-XF APD-XF APF-XF TF TF TF TF TF TF TF TF TR-PLN IV. SIMULASI DAN ANALISA A. Pemilihan Transformator Arus Ada beberapa transformator arus yang digunakan pada pengaman busbar yaitu CT 38, CT 39, CT 40, CT 41 dan CT 42. CT disini memiliki fungsi yang sangat penting dimana akurasinya sebagai sensor dibutuhkan agar tidak salah dalam membaca arus gangguan. CT akan mengirim besaran ke rele sehingga rele dapat membaca dan mengolah data untuk memberikan perintah ke pemutus sirkuit (circuit breaker). Akurasi CT berhubungan dengan karakteristik saturasinya. Untuk itu diperlukan perhitungan untuk dibandingkan dengan nilai knee point yang ada pada gambar 3 agar akurasi CT terjaga. Tabel 3 Data Current Transformer No Nama Komponen Rasio Burden (VA) 1 CT :5 5 2 CT :5 5 3 CT :5 5 4 CT :5 5 5 CT :5 5 Agar transformator arus bisa mendeteksi adanya gangguan dengan baik dibutuhkan transformator arus dengan nilai knee point minimal dua kali.[1] Keterangan : = Setting tegangan minimum/tegangan terbangkit di sekunder CT = Arus maksimum lewat primary ampere = Ratio lilitan CT = Resistansi dari sekunder CT = Total Resistansi dari kawat timah antara CT dan Rele Dengan melakukan perhitungan dengan persamaan 1 akan diperoleh hasil seperti tabel di bawah ini. Tabel 4 Hasil Perhitungan dengan di Bus 31 Elemen I CT I CT I CT I CT I CT Gambar 4 Perbandingan Antara, dan Knee Point IEEE Ketika di Bus 31 Dari Tabel 4 dapat diketahui beban paling besar ditanggung oleh CT39 karena dialiri oleh arus kontribusi paling besar. Dengan melihat Gambar 4 dapat dilihat bahwa current memiliki nilai knee point diatas dari setting knee point yang (1) Tabel 5 Hasil Perhitungan dengan di Bus 14 Elemen I CT I CT I CT I CT Gambar 3 Kurva Eksitasi untuk Transformator Arus Multi-Ratio Kelas C [3] Dari Tabel 5 dapat diketahui beban paling besar ditanggung oleh CT42 karena dialiri oleh arus kontribusi paling besar.

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Dengan melihat Gambar 5 dapat dilihat bahwa current memiliki nilai knee point diatas dari setting knee point yang memiliki knee point diatas dari setting knee point yang Gambar 5 Perbandingan Antara, dan Knee Point IEEE Ketika di Bus 14 Tabel 6 Hasil Perhitungan dengan di Bus 17 Elemen Setting Knee Point I CT I CT I CT I CT Gambar 7 Perbandingan Antara, dan Knee Point IEEE Ketika di Bus 20 Tabel 8 Hasil Perhitungan dengan di Bus 22 Elemen I CT I CT I CT I CT Dari tabel diatas dapat diketahui beban paling besar ditanggung oleh CT38 karena dialiri oleh arus kontribusi paling besar. Gambar 6 Perbandingan Antara, dan Knee Point IEEE Ketika di Bus 17 Dari Tabel 6 dapat diketahui beban paling besar ditanggung oleh CT41 karena dialiri oleh arus kontribusi paling besar. Dengan melihat Gambar 6 dapat dilihat bahwa current memiliki knee point diatas dari setting knee point yang Tabel 7 Hasil Perhitungan dengan di Bus 20 Elemen I CT I CT I CT I CT Gambar 8 Perbandingan Antara, dan Knee Point IEEE Ketika di Bus 22 Dengan melihat Gambar 8 dapat dilihat bahwa current memiliki knee point diatas dari setting knee point yang B. Setting Diferensial Impedansi Tinggi BUS kv CT 38 1APD-MCC-1 CT 39 CT 40 CT 41 CT 42 Junction box High impedance bus differential scheme Rs Dari Tabel 7 dapat diketahui beban paling besar ditanggung oleh CT40 karena dialiri oleh arus kontribusi paling besar. Dengan melihat Gambar 7 dapat dilihat bahwa current 50 BUS 22 BUS 20 BUS 17 BUS 14 Gambar 9 Skema Diferensial Impedansi Tinggi Pada Bus 31 MOV

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Pada Gambar 9 merupakan skema diferensial bus impedansi tinggi. Menggunakan resistansi 2000 ohm. Semua CTs terhubung secara paralel. Titik persimpangan (junction point) setiap rangkaian CTs terhubung ke elemen impedansi tinggi. Dalam skema tersebut terdapat rele 50 dan rele 59 serta rele 86 sebagai rele lockout. Peralatan 59 adalah elemen tegangan lebih (overvoltage) yang memberikan sinyal trip untuk gangguan internal pada lingkup pengaman diferensial bus. MOV digunakan untuk membatasi tegangan pada rangkaian hingga level yang memungkinkan sampai trip rangkaian. Peralatan 86 digunakan untuk memberikan sinyal trip pada breaker. Peralatan 50 digunakan untuk memberi sinyal yang dibutuhkan selama arus diferensial mengalir misalnya untuk inisialisasi kegagalan pemutus (breaker failure initiate). Tabel 9 Data Elemen Pada Skema Diferensial Impedansi Tinggi. Elemen Nilai R L ohm R CT 0.2 ohm R S 2000 ohm nct 400/5 Tabel 11 Maksimum 3 Phasa dan Single Line to Gound dengan Pada Bus 31 (Lanjutan) Komponen Maksimum 3 Phasa Maksimum Single Line to Ground I CT I CT40 I CT41 I CT42 Arus gangguan maksimum 3 phasa : A Arus gangguan maksimum single line to ground: 200 A Arus gangguan minimum 3 phasa : 9100 A Arus gangguan minimum single line to ground : 200 A Kondisi Eksternal ( Pada Bus 14, Bus 17, Bus 20, Bus 22) Tabel 12 Maksimum Single Line to Ground I CT38 I CT39 I CT40 I CT41 I CT42 Bus 14 3 A 181 A 5 A 5 A 194 A Bus 17 3 A 181 A 5 A 194 A 5 A Bus 20 3 A 181 A 194 A 5 A 5 A Bus A Gambar 10 Karakteristik Arus dan dari MOV 1. Level Arus Hubung Singkat. Kondisi Internal ( Pada Bus 31) Tabel 10 Maksimum 3 Phasa dan Single Line to Gound dengan Pada Bus 31 Komponen Maksimum 3 Phasa Maksimum Single Line to Ground I CT I CT I CT40 I CT41 I CT42 Tabel 11 Maksimum 3 Phasa dan Single Line to Gound dengan Pada Bus 31 Komponen Maksimum 3 Phasa Maksimum Single Line to Ground I CT Pada Bus 14 Arus gangguan maksimum 3 phasa : 13971A Arus gangguan maksimum single line to ground: 194 A Pada Bus 17 Arus gangguan maksimum 3 phasa : 13971A Arus gangguan maksimum single line to ground: 194 A Pada Bus 20 Arus gangguan maksimum 3 phasa : 13971A Arus gangguan maksimum single line to ground: 194 A Pada Bus 22 Arus gangguan maksimum 3 phasa : 14125A Arus gangguan maksimum single line to ground: 196 A 2. Stabilitas Pada Eksternal. terbangkit di rele diferensial sama dengan: di mana k adalah 1 untuk gangguan tiga phasa, dan k adalah 2 untuk gangguan single-line-to-ground. Tabel 13 Hasil Perhitungan Pada Rele Diferensial Bus V 0.66 V Bus V 0.66 V Bus V 0.66 V Bus V 0.67 V (2)

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Dengan CTs yang dibebani gangguan eksternal yang berbeda - beda pada beberapa elemen jaringan, maka perlu dipertimbangkan tegangan rele tertinggi. Dalam hal ini, tegangan tertinggi pada gangguan eksternal adalah V. Dengan asumsi margin perlindungan pengaman (protection security margin) 1,6 ketika melakukan setting pickup dari actuator tegangan (59) dengan perhitungan di bawah ini. VPKP = V = 66.73V Aktuator arus (50) yang digunakan dalam skema, setting pickup yang diperlukan berada di bawah arus gangguan minimum. Dengan asumsi margin keandalan 0.5 maka : IPKP = 3. Verifikasi dari Rating CT (Check Keandalan) Dengan rekomendasi di bawah 0.67 sampai 0.5 dari akurasi tegangan kelas untuk mempertahankan respon dengan kecepatan tinggi maka : 66.73V < 67 V = ( V) 4. Sensivitas Pada Internal Untuk memenuhi sensivitas pada gangguan internal maka diperlukan nilai operasi minimum dalam primary ampere untuk sistem proteksi bus ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut: Eksitasi arus pada pengaturan tegangan dibaca dari kurva-eksitasi CT dengan asumsi 0,08 A pada V. Karena ada lima CTs, I EX adalah 5 0,08 A = 0,4 Arus MOV pada pengaturan tegangan diperoleh dari karakteristik MOV (Gambar 4.12). Karakteristik MOV diberikan dalam volt peak dan amp peak sehingga perlu dikonversi ke nilai RMS V 2 = V. Dengan tegangan V arus MOV memiliki nilai yang sangat kecil sehingga dapat diabaikan karena tidak signifikan dalam perhitungan. Impedansi beban arus pada pengaturan tegangan adalah V/2000 Ω = 0,0334 A. (3) = ( ) 80 = A PRIMARY Dengan arus gangguan minimum sebesar 200 A (phasa tunggal) dan 9100 A (tiga phasa) kriteria keandalan terpenuhi. Untuk setting waktu berdasarkan rekomendasi dari IEEE [4], rele diferensial beroperasi dari 1 cycle hingga 3 cycle. Dengan frekuensi 50 Hz maka setting waktu yang direkomendasikan yaitu 20 ms sampai 60 ms. Pada skema diferensial impedansi tinggi ini dibutuhkan respon waktu yang cepat agar peralatan dapat terlindungi sehingga dipilih setting waktu rele sebesar 20 ms. V. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis yang telah dilakukan untuk setting pengaman rele diferensial pada bus 31 yang terhubung dengan 4 kompresor baru, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Dengan penambahan bus 31 yang rentan terhadap gangguan maka perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial. 2. Zona proteksi diferensial berada di daerah bus 31. Sehingga bus 31 berada pada zona internal proteksi diferensial dan bus yang lain yaitu bus 14, bus 17, bus 20 dan bus 22 berada di zona eksternal proteksi diferensial. 3. Pada gangguan di zona internal proteksi differensial bus impedansi tinggi yaitu gangguan pada bus 31 menunjukkan bahwa beban paling besar ditanggung oleh CT Untuk gangguan di zona eksternal proteksi differensial bus impedansi tinggi yaitu gangguan pada bus 14, bus 17, bus 20 dan bus 22. Beban paling besar yang ditanggung oleh CT dimana gangguan itu terjadi. 5. Setting knee point CT diperoleh dengan mempertimbangkan beban maksimum yang ditanggung oleh masing masing CT ketika mengalami gangguan baik di zona internal maupun zona eksternal proteksi diferensial bus impedansi tinggi. 6. Dengan membandingkan setting knee point dengan kurva eksitasi untuk transformator arus multi ratio kelas C pada IEEE Guide for the Application of Current Transformer Used for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C , maka pemilihan rasio CT 400:5 sesuai dengan kebutuhan. 7. Untuk memenuhi kriteria keandalan dengan mempertimbangkan sensitivitas pada gangguan internal maka nilai arus operasi minimum berada dibawah nilai arus hubung singkat minimum. 8. Dengan mempertimbangkan rekomendasi dari IEEE maka dipilih setting waktu sebesar 20 ms. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Institut Teknologi Sepuluh Nopember yang telah memberi kesempatan untuk melakukan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] R.M. Rifaat, Considerations in Applying Power Bus Protection Scheme to Industrial and IPP Systems, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 40, no.6, Nov/Dec [2] IEEE Guide for Protective Relay Application to Power System Buses, IEEE Standard C [3] IEEE Guide for the Application of Current Transformer Used for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C [4] IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems, IEEE Standard