Studi Koordinasi Rele Pengaman Sistem Tenaga Listrik di PT. Plaza Indonesia Realty Tbk.

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) Studi Koordinasi Rele Pengaman Sistem Tenaga Listrik di PT. Plaza Indonesia Realty Tbk. Galang Agung Asdany, Margo Pujiantara, dan Sjamsjul Anam. Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya asdany.galang@gmail.com, margo@ee.its.ac.id, anam@ee.its.ac.id Abstrak PT. Plaza Indonesia Realty Tbk merupakan sebuah perusahaan yang bergerak dalam bidang properti seperti hotel, apartemen, shopping center, dan office rental. Kebutuhan akan listrik yang sangat besar, mendorong PT. Plaza Indonesia Realty Tbk untuk membangun pembangkit sendiri demi memenuhi kebutuhan listriknya. Suplai listrik dari sumber pembangkit dihasilkan oleh genset berbahan bakar gas, namun tetap bekerja secara paralel bersama utility PLN. Kebutuhan akan listrik harus dapat terpenuhi pada kondisi apapun, baik normal maupun saat terjadi gangguan. Oleh karena itu, demi menjaga agar suplai listrik tetap berlangsung pasca terjadi gangguan, maka diperlukan sistem pengaman yang tepat dan terkoordinasi agar peralatan-peralatan yang terdapat pada sistem kelistrikan dapat segera beroperasi kembali. Tugas akhir ini bertujuan untuk menganalisa setting koordinasi rele pengaman dari sistem kelistrikan PT. Plaza Indonesia Realty Tbk, hingga diperoleh sistem pengaman yang layak dan handal. Kata Kunci Koordinasi, rele pengaman, gangguan. I. PENDAHULUAN T. Plaza Indonesia Realty Tbk merupakan salah satu Pperusahaan yang memiliki pembangkit listrik sendiri. Meskipun demikian, dalam pemenuhan kebutuhan akan listrik tetap bekerja secara paralel dengan utility PLN. Pembangkit listrik yang telah dibangun memakai tenaga genset berbahan bakar gas alam. Dengan memiliki pembangkit listrik, selain kebutuhan akan listrik dapat terpenuhi, hal tersebut juga dapat menekan biaya pengeluaran konsumsi listrik dari utility PLN. Pengaman sistem tenaga listrik dipasang untuk menjaga sistem kelistrikan dari gangguan yang dapat menyebabkan kerusakan pada sistem tersebut. Ketika terjadi gangguan maka sistem pengaman tenaga listrik harus dapat mengisolir arus gangguan agar tidak terjadi kerusakan pada peralatan, serta dapat menjaga kontinuitas berjalannya pelayanan listrik. Demi menjaga kontinuitas pelayanan listrik, diperlukan sistem pengaman yang terkoordinasi. Koordinasi rele pengaman menyakup pengaturan arus dan waktu dari rele yang telah terpasang pada sistem kelistrikan dengan tujuan untuk menetralisir gangguan yang terjadi agar tidak meluas, sehingga kontinuitas sistem tetap terjaga. Dengan koordinasi rele yang baik, keandalan dan kontinuitas aliran daya ke beban akan tetap terjaga. Gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik disebabkan oleh dua faktor, yaitu dari dalam sistem dan dari luar sistem [1]. Gangguan dari sistem adalah gangguan yang disebabkan adanya kerusakan suatu peralatan akibat kondisi abnormal dari sistem, sedangkan gangguan dari luar sistem adalah gangguan yang disebabkan oleh human error, faktor lingkungan, serta keadaan alam. Koordinasi rele pengaman merupakan pengaturan setting arus dan waktu dari rele yang terpasang pada sistem kelistrikan dengan tujuan untuk memperoleh selektivitas yang tinggi dalam mengisolir gangguan yang terjadi agar tidak meluas, sehingga kontinuitas pelayanan listrik tetap terjaga. II. DASAR TEORI PENGAMAN SISTEM TENAGA LISTRIK A. Rele Arus Lebih Rele arus lebih adalah rele pengaman sistem tenaga listrik yang bekerja ketika arus yang mengalir melebihi arus setting pada rele arus lebih tersebut. Walaupun prinsipnya sederhana, rele ini mempunyai banyak karakterisik yang dapat dikembangkan hanya dengan variabel arus dan waktu. Gangguan-gangguan yang dapat diamankan pengaman arus lebih ini antara lain: kelebihan beban (overload), gangguan hubung singkat antar fasa, gangguan hubung singkat tiga fasa dan gangguan hubung singkat tiga fasa ke tanah. Apabila arus yang mengalir melebihi nilai arus setting pada rele, maka rele ini akan bekerja. Berikut adalah konstruksi rele arus lebih secara sederhana. CB = Circuit breaker TC = Trip coil CB CT = Trafo arus C = Rele arus lebih I = Arus yang mengalir pada saluran Ir = Arus yang mengalir pada rel Gambar 1. Konstruksi rele arus lebih [2]. B. Setting Arus Rele Arus Lebih Setting arus dan waktu pada rele arus lebih dibedakan menjadi dua keadaan, yaitu pada waktu invers dan pada waktu instan. Pada waktu invers, setting arus dan waktu ditentukan untuk mengamankan sistem tenaga listrik dari gangguan kelebihan beban (overload), sedangkan pada waktu instan, setting arus dan waktu ditentukan untuk mengamankan sistem tenaga listrik dari gangguan hubung singkat. Menurut Standart British BS batas penyetelan antara ( ) x FLA. Penentuan konstanta berbeda-beda tergantung dari peralatan serta jenis beban. Misalnya, untuk arus setting pada trafo diambil sebesar 1.2 x FLA Trafo,

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) sedangkan pada motor diambil sebesar Lock Rotor Current x FLA Motor [3]. Jadi, untuk low-setting (I>) ditunjukkan dengan rumus sebagai ( ) x FLA (1) Dengan pemilihan tap low-setting sebagai CT primer (2) Gangguan hubung singkat dapat merusak peralatan sistem tenaga listrik. Untuk mengamankan sistem tenaga listrik dari gangguan ini, maka setting arus rele pengaman arus lebih ditentukan berdasarkan nilai arus gangguan hubung singkat minimum antar fasa (30 cycle dalam keadaan pembangkitan minimum) pada bus setelah rele. Arus setting yang dipilih harus lebih kecil daripada nilai arus gangguan hubung singkat minimum antar fasa agar CB trip sedini mungkin ketika terjadi gangguan hubung singkat. Jadi, untuk high-setting (I>>) ditunjukkan dengan rumus sebagai 0.8 x I sc 2φ min (3) C. Setting Waktu Rele Arus Lebih Untuk setting waktu operasi rele ditentukan dengan menghitung time dial. Persamaan untuk menghitung time dial berbeda-beda menurut manufaktur, tipe rele, dan juga karakteristik kurva rele. Pada tugas akhir ini terpasang dua jenis rele. Yang pertama adalah Merlin Gerin tipe SEPAM 1000 dan AREVA tipe P132. Untuk menentukan time dial SEPAM 1000 dipakai persamaan sebagai k td = ( I x T Is )α 1 β (4) Dimana T adalah time dial, td adalah time delay, I adalah arus gangguan hubung singkat tiga fasa pada bus sebelum rele, Is adalah arus low-setting, dan k, α, β merupakan konstanta. Sedangkan untuk setting waktu instan atau time delay dapat langsung ditentukan. Dan dengan grading time adalah perbedaan waktu kerja minimal antara rele utama dan rele cadangan (back-up) dapat dipilih dari detik [4]. D. Rele Arus Lebih Berarah [5] Pada dasarnya prinsip kerja rele arus lebih berarah sama dengan rele arus lebih, hanya saja ada penambahan satu parameter lagi dalam pengoperasiannya, yaitu arah arus yang mengalir. Terdapat dua kondisi yang harus terpenuhi agar rele arus lebih berarah dapat bekerja, yaitu: Ketika besar arus yang mengalir melebihi batas arus setting yang ditetapkan. Ketika arah arus yang mengalir sesuai dengan setting arah yang telah ditetapkan. Rele arus lebih berarah ini sangat diperlukan untuk pengaman sistem tenaga listrik, terutama pada jaringan distribusi ring, paralel, ataupun saluran dengan dua sumber di kedua ujungnya. E. Setting Arus dan Waktu Rele Arus Lebih Berarah Pada dasarnya setting arus pada rele arus lebih berarah sama dengan setting arus pada rele arus lebih. Akan tetapi pada rele arus lebih berarah selain mempertimbangkan arus kontibusi juga melihat arah arus gangguan yang mengalir. Untuk setting waktu pada rele arus lebih berarah, terlebih dahulu harus dilakukan simulasi manual gangguan, sehingga dapat ditentukan peran dari rele arus lebih berarah tersebut apakah sebagai pengaman utama atau sebagai back-up rele sebelumnya dengan memperhatikan arah aliran arus gangguan. III. SISTEM KELISTRIKAN PT. PLAZA INDONESIA REALTY TBK. Dalam upaya melayani kebutuhan listrik Plaza Indonesia, dioperasikan empat buah genset berbahan bakar gas alam dengan daya masing-masing 2737 kw dengan level tegangan 11kV. Genset ini akan bekerja bersama utility salah satu dari PLN GI Budi Kemuliaan dan GI Karet Baru, dengan berlangganan masing-masing 13 MVA dengan level tegangan 20 kv. Total beban maksimum yang terpasang besarnya sekitar 8 MW. Sistem kelistrikan di Plaza Indonesia memiliki level tegangan menengah 20 kv dan tegangan rendah 0.4 kv. Adapun single line diagram dari keseluruhan sistem kelistrikan Plaza Indonesia dapat dilihat pada Gambar 2 berikut ini: Ring Radial Gambar 2. Single line diagram PT. Plaza Indonesia Realty Tbk. IV. KOORDINASI RELE PENGAMAN PT. PLAZA INDONESIA REALTY TBK. A. Analisa Setting Rele Existing Tipikal Radial Rele pengaman arus lebih yang pertama adalah Rele 31 yang berfungsi untuk mengamankan Bus 4 dari gangguan beban lebih (overload) dan untuk mengamankan trafo TX11 dari hubung singkat pada Bus 4. Kemudian diatasnya terdapat Rele 19 yang berfungsi untuk mengamankan trafo TX11 dari gangguan beban lebih dan untuk mengamankan Bus 22 dari

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) gangguan hubung singkat pada primer trafo TX11. Rele 19 juga berfungsi sebagai rele cadangan (back-up) dari Rele 31 apabila Rele 31 gagal bekerja. Kemudian Rele 16 dan 13 berfungsi untuk mengamankan Bus 22 dari gangguan beban lebih dan untuk mengamankan Bus 3 dari gangguan hubung singkat pada Bus 22. Rele 16 dan 13 juga berfungsi sebagai back-up dari Rele 19. Gambar 3. Single line diagram tipikal 1 (radial). Hasil plot setting existing rele-rele pengaman pada tipikal 1 dapat dilihat pada Gambar 4. Dapat kita lihat bahwa ada beberapa koordinasi yang kurang baik, sehingga diperlukan resetting untuk memperbaiki koordinasi rele pada tipikal Pick-up instantaneous Rele 19 terlalu kecil, sehingga ketika trafo TX11 energize maka Rele 19 akan bekerja. Rele 19, 16, dan 13 tidak ada perbedaan waktu kerja instantaneous atau time delay, sehingga apabila terjadi short circuit di Bus 22 maka Rele 19, 16, dan 13 akan bekerja bersama-sama. Hal ini tidak sesuai dengan standar IEE 242 tentang perbedaan waktu minimum yang dianjurkan untuk rele mikroprosesor yang berkisar antara ms. B. Rekomendasi Resetting Rele Tipikal Radial Dari hasil analisa pada sub-bab sebelumnya, terdapat setting dan koordinasi rele yang masih perlu diperbaiki. Oleh karena itu, pada sub-bab ini akan dibahas mengenai rekomendasi resetting rele pengaman pada ketiga tipikal radial dan satu tipikal ring dengan perhitungan manual untuk menentukan resetting pengaman beserta koordinasinya. Relay 31 (ACB 26) Manufacturer = Merlin Gerin Model = Sepam 1000 Curve type = SIT Pickup range overcurrent = x In (step 0.05) Pickup range instantaneous = 1-24 x In (step 0.1) FLA Sekunder TX11 = kva 3 x kv = x 0.4 = o Overcurrent 1.05 x FLA Sekunder TX x Isc min 30 cycle Bus x x CT primer = = 0.85 o Instantaneous 0.8 x Isc min 30 cycle Bus x CT primer = = 5.3 Gambar 4. Kurva kerja rele tipikal 1A (radial). Tanda lingkaran dengan nomor pada Gambar 4 menunjukkan beberapa setting yang harus diperbaiki. Berikut keterangannya: 1. Pick-up overcurrent Rele 31 dan 19 disebelah kiri FLA trafo TX11, sehingga Rele 31 dan 19 akan bekerja apabila arus yang mengalir besarnya mendekati FLA trafo TX o Time dial 0.14 td = x Isc max 4 cycle bus 92 ( ) ocr = 0.14 ( x 2550 ) = x T 2.97 T = s Delay = 0.3 s T 2.97 T 2.97

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) Dengan perhitungan manual diatas, maka akan didapat kurva kerja rele sebagai s 100 s 1000 s 52 s 96 s 1000 s s 0.05 s 34 s 35 s 100 s s 0.05 s 0.05 s 0.05 s 2 s 57 s 56 s 21 s 2.3 s 56 s 59 s s s s 0.05 s 0.05 s s 0.05 s 0.05 s 0.05 s s 0.05 s 0.05 s Gambar 5. Resetting kurva kerja rele tipikal 1A (radial). Dari hasil plot kurva resetting rele-rele tipikal 1A (radial) didapat pengamanan sebangai 1. Ketika trafo TX11 enegize, maka Rele 19 tidak akan bekerja, sehingga kontinuitas pelayanan listrik dapat berlangsung. 2. Rele 19 tidak akan bekerja pada saat trafo TX11 dalam keadaan pembebanan maksimum yang diijinkan. 3. Ketika terjadi gangguan hubung singkat pada Bus 4, maka Rele 31 akan bekerja pada waktu 0.3 s. 4. Ketika terjadi gangguan hubung singkat pada Bus 22, maka Rele 19 akan bekerja dengan waktu seketika pada 0.1 s dan Rele 16 dan 13 akan menjadi back-up Rele 19 pada 0.3 s apabila Rele 19 gagal bekerja. C. Analisa Setting Rele Existing Tipikal Ring Untuk melakukan analisa layak atau tidaknya koordinasi rele-rele pada tipikal ring, dapat dilihat dari waktu kerja masing-masing rele apakah sesuai dengan perannya sebagai rele pengaman utama ataukah rele pengaman cadangan (backup). Dengan kurva kerja rele dari hasil plot setting rele-rele existing yang terdapat pada tipikal ring dan arus kontribusi gangguan hubung singkat yang melewati masing-masing rele hingga didapat waktu kerja rele ketika arus kontribusi hubung singkat terjadi. Gambar-gambar berikut menunjukkan besar arus kontribusi yang mengalir pada masing-masing rele. Kemudian dengan kurva kerja rele, di plot masing-masing arus kontribusi Gambar 6. Waktu kerja rele berdasarkan arus kontribusi. Dari Gambar 6 dapat diketahui bahwa terdapat kesalahan koordinasi ketika terjadi hubung singkat pada Bus 1 dengan perincian sebagai 1. Rele 7, 9, dan 11 akan bekerja bersama, sehingga akan menyebabkan black-out di MB-section dan MCsection. 2. Rele 8, 10, dan 12 akan bekerja bersama, sehingga akan menyebabkan black-out di MA-section. 3. Rele 1 dan 3 bekerja dalam waktu yang sangat lama. Kesalahan koordinasi ketika terjadi hubung singkat pada Bus 2 dengan perincian sebagai 1. Rele-rele di tipikal 2 tidak bekerja sebagaimana mestinya. Terlihat dari Rele 9 dan 10 yang seharusnya menjadi rele utama ternyata baru bekerja di waktu yang sangat lama. 2. Rele 5 dan 6 tidak bekerja. Kesalahan koordinasi ketika terjadi hubung singkat pada Bus 3 dengan perincian sebagai 1. Rele 7, 9, dan 11 akan bekerja bersama, sehingga akan menyebabkan black-out di MB-section dan MCsection. 2. Rele 8, 10, dan 12 akan bekerja bersama, sehingga akan menyebabkan black-out di MA-section. 3. Rele 1 dan 3 bekerja dalam waktu yang sangat lama. Kesalahan koordinasi ketika terjadi hubung singkat pada Bus 69 dengan perincian sebagai 1. Rele 7, 9, dan 11 akan bekerja bersama, sehingga akan menyebabkan black-out di MB-section dan MCsection. 2. Rele 8, 10, dan 12 akan bekerja bersama, sehingga akan menyebabkan black-out di MA-section. 3. Rele 1 dan 3 bekerja dalam waktu yang sangat lama. D. Rekomendasi Resetting Rele Tipikal Ring Dari analisa existing pada sistem ring, diperlihatkan rumitnya pengamanan sistem apabila terus memakai rele pengaman arus lebih. Oleh karena itu, penulis merekomendasikan untuk menggunakan rele arah. Untuk melakukan resetting menggunakan rele arah, diperlukan arus kontribusi yang melewati masing-masing rele. Satu rele harus dapat mengatasi berbagai gangguan yang mungkin terjadi pada sistem ring. Lalu, pada setiap rele ditentukan waktu yang dibutuhkan untuk bekerja pada

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) masing-masing arus gangguan kontribusi. Waktu kerja rele harus ditentukan berdasarkan peran rele tersebut, seperti rele pengaman utama ataukah rele cadangan. Berikut skema aliran arus gangguan hubung singkat beserta waktu kerja rele yang diinginkan sebagai acuan dalam resetting perhitungan manual rele arah: Salah satu cara pembuktian benar atau tidaknya resetting rele arah adalah dengan melakukan simulasi Fault-insertion pada ETAP Simulasi ini berfungsi untuk mengetahui waktu kerja masing-masing rele. Berikut adalah skema bekerjanya rele arah ketika terjadi gangguan s 0.1 s s 0.1 s s s Gambar 7. Resetting rele arah yang diinginkan pada tipikal ring. Dari arus kontribusi dan waktu kerja rele diatas, maka dilakukan perhitungan manual dari parameter-parameter diatas. Sehingga diperoleh perhitungan sebagai Relay 7 (MS 8) Manufacturer = ABB Model = REF 541 Curve type = NIT Direction = Forward Pickup range overcurrent = x In (step 0.1) Pickup range instantaneous = x In (step 0.1) Gambar 8. Skema urutan kerja rele ketika hubung singkat pada Bus1. 1. Rele 5 dan 6 bekerja sebagai rele pengaman utama pada 0.1 s. 2. Rele 11 dan 12 bekerja sebagai rele pengaman cadangan pada. 3. Rele 1, 2, dan 3 bekerja sebagai rele pengaman utama pada. kva FLA Cable1 = 3 x kv = = x 20 *ketika Utility PLN OFF o Overcurrent 1.2 x FLA Cable1 0.8 x Isc min kontribusi 1.2 x x CT primer = = 0.7 o Instantaneous 0.9 x Isc min kontribusi 0.9 x CT primer = = 1.4 o Time dial Dipilih T = 0.3 s dan Delay = *agar ketika terjadi gangguan hubung singkat di sisi beban, maka rele 7 akan bekerja sesuai dengan grading time-nya Gambar 9. Skema urutan kerja rele ketika hubung singkat pada Bus Rele 9 dan 10 bekerja sebagai rele pengaman utama pada 0.1 s. 2. Rele 7 dan 8 bekerja sebagai rele pengaman cadangan pada. 3. Rele 1, 2, dan 3 bekerja sebagai rele pengaman cadangan pada.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) Gambar 10. Skema urutan kerja rele ketika hubung singkat pada Bus3. 1. Rele 7 dan 11 bekerja sebagai rele pengaman utama pada. 2. Rele 1, 2, dan 3 bekerja sebagai rele pengaman cadangan pada. 3. Rele 6 bekerja sebagai rele pengaman cadangan pada. 4. Rele 12 bekerja sebagai rele pengaman cadangan dengan kurva inverse. 1. Terdapat beberapa setting rele yang kurang tepat dengan koordinasi antar rele yang kurang baik, terutama pada setting pick-up dan grading time antar rele pengaman. 2. Setting pick-up instantaneous rele pada primer trafo terlalu kecil sehingga rele akan bekerja ketika inrush trafo. 3. Terdapat beberapa setting rele yang tidak memperhatikan grading time, sehingga apabila rele-rele bekerja bersamaan maka pelayanan listrik pada daerah yang tidak mengalami gangguan akan ikut mati. 4. Setting rele-rele pada sistem distribusi ring tidak sesuai. Terlihat dari skema urutan waktu rele bekerja yang kacau. 5. Hasil plot kurva hasil resetting PT. Plaza Indonesia Realty Tbk memperlihatkan bahwa tidak ada rele yang misscoordination dan overlaping antara rele utama dengan rele back-up. Dapat dikatakan bahwa koordinasi kerja antar rele dapat berjalan dengan baik dan sesuai dengan urutan waktu kerjanya. VI. SARAN Setelah melakukan studi pengamatan setting existing, perhitungan manual, dan hasil simulasi software ETAP dari data PT. Plaza Indonesia Realty Tbk. Maka saran yang penulis berikan adalah : 1. Hasil dari perhitungan dan koordinasi rele pengaman dari laporan tugas akhir ini dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan untuk setting rele pada sistem kelistrikan industri yang terkait dan juga dapat dijadikan bahan referensi dalam melakukan setting dan koordinasi pada sistem kelistrikan. 2. Untuk mengamankan sistem distribusi ring dari gangguan, direkomendasikan untuk menggunakan rele arah, dengan setting yang telah dilakukan pada tugas akhir ini. DAFTAR PUSTAKA Gambar 11. Skema urutan kerja rele ketika hubung singkat pada Bus Rele 8 dan 12 bekerja sebagai rele pengaman utama pada. 2. Rele 1, 2, dan 3 bekerja sebagai rele pengaman cadangan pada. 3. Rele 5 bekerja sebagai rele pengaman cadangan pada. 4. Rele 11 bekerja sebagai rele pengaman cadangan dengan kurva inverse. V. KESIMPULAN Berdasarkan hasil studi koordinasi rele pengaman sistem tenaga listrik pada PT. Plaza Indonesia Realty Tbk yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa: [1] Chairiman, Studi Keandalan Proteksi Peralatan Listrik Pabrik Indang III A PT. Semen Padang, Universitas Muhammadiyah, [2] Horovitz, Stanley H., dan Phadke, Arun G., Power System Relaying 3rd Edition, John Wiley and Sons, Ltd., England, Ch.4, [3] Blackburn J., Lewis, dan Domin, Thomas J., Protective Relaying Principles and Application 3rd Edition, CRC Press, USA, Ch.9, [4] IEE Std tm, IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, Ch.15, [5] Wirawan, Arif, Perancangan Sistem Koordinasi Rele Proteksi pada Perencanaan Jaringan Distribusi Ring di EMP Malacca Strait dengan Menggunakan Rele Arus Lebih Berarah, FT UI, 2010.