Analisis Gangguan Hubung Singkat untuk Penentuan Breaking Capacity Pada Penyulang Kutai, Ludruk, dan Reog di GIS Gambir Lama

Transkripsi

1 Analisis Gangguan Hubung Singkat untuk Penentuan Breaking Capacity Pada Kutai, Ludruk, dan Reog di GIS Gambir Lama Ir. I Made Ardita Y, M.T., Farekh Huzair Departemen Teknik Elektro,, Depok 644 Tel: (0) Fax: (0) made@eng.ui.ac.id, farekh_huzair@yahoo.com Abtrak Dalam sistem tenaga listrik sering terjadi gangguan-gangguan yang dapat mengakibatkan terganggunya pendistribusian tenaga listrik kekonsumen. Dimana gangguan adalah penghalang dari suatu sistem yang sedang beroperasi atau suatu keadaan dari sistem tenaga listrik yang menyimpang dari kondisi normal. Sehingga dalam suatu sistem tenaga listrik dibutuhkan sistem proteksi, dimana salah satu bagian dalam sistem proteksi adalah penggunaan circuit breaker untuk meminimalkan dampak yang terjadi akibat gangguan. Dimana dalam penulisan ini dilakukan observasi di PT. PLN Area Pengatur Distribusi (Area Menteng) untuk mengetahui besarnya arus gangguan hubung singkat pada sistem distribusi di Kutai, Ludruk, dan Reog pada GIS Gambir Lama yang mana nantinya akan digunakan sebagai penentuan breaking capacity dalam sistem distribusi tersebut, serta mengetahui perencanaan peralatan instalasi tenaga listrik seperti pemilihan spesifikasi pengaman (circuit breaker). Dimana data-data jaringan distribusi yang didapatkan kemudian disimulasikan dengan menggunakan software ETAP 7.0. dengan menganalisa gangguan hubung singkat pada sistem jaringan distribusi tersebut. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa pada Gardu Induk GIS Gambir Lama sebaiknya digunakan circuit breaker dengan In 50 A dan rated breaking capacity 5 ka, dan Gardu Distribusi di Kutai, Ludruk, dan Reog serta Gardu Hubung sebaiknya menggunakan circuit breaker dengan In 50 A dan rated breaking capacity 0 ka, agar mampu menahan arus gangguan hubung singkat maksimum tiga fasa (½ Cycle) apabila terjadinya gangguan. Analysis of Short Circuit for the Determination of Breaking Capacity at Feeders Kutai, Ludruk, and Reog in GIS Gambir Lama. Abstract In a power system often occur disturbances that can lead to disruption of power distribution to consumer. Where is the disruption of the barrier system in operation or a state of a power system that deviate from normal conditions. Thus, in an electric power system protection systems are needed, where one part of the protection system is the use of circuit breakers to minimize the impact caused by interference. Where in this paper will be observed in the PT. PLN Area Pengatur Distribusi (Area Menteng) to determine the short circuit fault current on the feeder distribution system in Kutai, Ludruk, and Reog in GIS Gambir Lama which will be used as a determination of the breaking capacity of the distribution system, and to know the power plant equipment planning such as the selection of electrical safety specifications (circuit breaker). Where the data obtained distribution network then simulated using ETAP software 7.0. by analyzing the short circuit on the distribution network system. From the simulation results showed that GIS Gambir Lama substation circuit breaker should be used with In 50 A and a rated breaking capacity 5 ka, and distribution substation in feeders Kutai, Ludruk, and Reog and Connecting Substation should use a circuit breaker with In 50 A and rated breaking capacity 0 ka, to be able to withstand the maximum short circuit current of three-phase (½ Cycle) if the disruption. Keywords: Short circuit, Rated breaking capacity Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

2 Pendahuluan Pada sistem distribusi terdapat dua bagian, yaitu distribusi primer yang mempergunakan tegangan menegah dan distribusi sekunder yang mempergunakan tegangan rendah. Dalam sistem tenaga listrik sering terjadi gangguan-gangguan yang dapat mengakibatkan terganggunya pendistribusian tenaga listrik kekonsumen. Gangguan adalah suatu keadaan dari sistem tenaga listrik yang menyimpang dari kondisi normal. Berdasarkan kesimetrisannya gangguan terbagi menjadi dua yaitu, gangguan asimetris dan simetris. Tujuan dari penulisan ini adalah untuk menentukan breaking capacity dari circuit breaker pada sistem distribusi di Kutai, Ludruk, dan Reog pada GIS Gambir Lama dengan menganalisa besarnya arus gangguan hubung singkat maksimum dalam sistem distribusi tersebut. Dimana batasan masalah dalam penulisan ini adalah pada analisa gangguan hubung singkat tiga fasa disisi tegangan menengah 0 kv (distribusi primer) untuk penentuan breaking capacity dalam sistem jaringan distribusi pada konfigurasi spindel di Kutai, Ludruk, dan Reog dengan menggunakan software ETAP 7.0 standard IEC (50Hz). Gangguan Hubung Singkat Dalam proteksi sistem tenaga listrik, sangat penting untuk mengetahui distribusi arus dan tegangan di berbagai tempat sebagai akibat timbulnya gangguan. Karakteristik kerja rele proteksi dipengaruhi oleh besaran energi yang dimonitor oleh rele seperti arus atau tegangan. Dengan mengetahui distribusi arus dan tegangan di berbagai tempat maka seorang insinyur proteksi dapat menentukan setelan (setting) untuk rele proteksi dan rating dari pemutus tenaga/circuit breaker (CB) yang akan digunakan. Gangguan hubung singkat dapat diklasifikasi menjadi empat jenis yaitu:. Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah Gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik merupakan gangguan asimetris sehingga memerlukan metode komponen simetris untuk menganalisa tegangan dan arus pada saat terjadinya gangguan. Gangguan yang terjadi dapat dianalisa dengan menghubung-singkat semua sumber tegangan yang ada pada sistem dan mengganti titik (node) gangguan dengan sebuah sumber tegangan yang besarnya sama dengan tegangan sesaat sebelum terjadinya gangguan di titik gangguan tersebut. Dengan menggunakan metode ini sistem tiga fasa tidak seimbang dapat direpresentasikan dengan menggunakan teori komponen simetris yaitu berdasarkan komponen urutan positif, komponen urutan negatif dan komponen urutan nol. Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

3 3 Untuk setiap jenis gangguan, digunakan persamaan dibawah ini bersama dengan persamaan yang melukiskan pada gangguan tersebut dengan V f, Z, Z, dan Z 0 sebagai suku-sukunya. Va0 0 Z Va 0 Z 0 Va Z () Gambar. Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah dengan Ib 0 dan Ic 0 komponen simetris arus diberikan oleh 0 a a 0 3 a a 0 () sehingga 0,, masing - masing sama dengan dan 3 0 dengan menggantikan dan 0dengan didapatkan (3) Va0 0 Z0 0 0 Va 0 Z 0 Va Z (4) sehingga diperoleh, Va0+ Va+ Va Z 0+ Z Z (5) karenava Va0 + Va+ Va 0 sehingga didapatkan Z + Z + Z 0 (6) Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

4 4 Keterangan : Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadinya gangguan Z Impedansi urutan nol dilihat dari titik gangguan 0 Z Impedansi urutan positif dilihat dari titik gangguan Z Impedansi urutan negatif dilihat dari titik gangguan. Gangguan Hubung Singkat Dua Fasa Gambar. Gangguan Hubung Singkat Dua Fasa denganvb Vc komponen - komponen simetris tegangan diberikan oleh Va0 Va Va a a Vb 3 Va a a Vb (7) diperoleh Va Va karena Ib Ic dan 0 komponen - komponen simetris arus diberikan oleh, 0 0 a a Ic 3 a a Ic (9) diperoleh 0 0 dengan suatu sambungan dari netral sumber ketanah, Z 0 adalah terbatas (finite) sehingga, Va 0 0 dengan menggantikan 0 0 Z Va 0 Z 0 Va Z () diperoleh (8) (0) () Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

5 5 0 Z Z sehingga didapatkan Z+ Z (4) Keterangan Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadinya gangguan Z Impedansi urutan positif dilihat dari titik gangguan Z Impedansi urutan negatif dilihat dari titik gangguan (3) Pada gangguan hubung singkat fasa ke fasa, arus saluran tidak mengandung komponen urutan nol dikarenakan tidak ada gangguan yang terhubung ke tanah. 3. Gangguan Hubung Singkat Dua Fasa ke Tanah Gambar 3. Gangguan Hubung Singkat Dua Fasa ke Tanah denganvb 0 dan Vc 0, komponen komponen simetris tegangan diberikan oleh Va Va 0 Va a a 0 3 Va a a 0 (5) sehinggava0, Va, Va masing - masing sama dengan Va Va Va0 Va dan 3 dengan menggantikan Va, Va, dan Va 0 dengan Z dan mengalikan kedua sisinya dengan Z, dimana (6) Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

6 6 Z Z Z Z Z 0 0 Z diperoleh 0 0 Z (7) Z0 Z0 Z Z 0 0 Z Z Z Z Z (8) dengan didapat Z Z + + Z0 Z0 Z Z Z Z (9) Dan menggabungkan suku sukunya diperoleh Z Z ( + Z ) Z Z0 Z ZZ0 (0) ( ) ( ) ZZ + Z Z + Z Z + Z ZZ 0 ZZ 0 () ( + 0) ( ) Z Z ZZ + Z Z + Z sehingga 0 0 ZZ 0 Z + Z + Z0 (3) Keterangan Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadinya gangguan Z Impedansi urutan nol dilihat dari titik gangguan 0 Z Impedansi urutan positif dilihat dari titik gangguan Z Impedansi urutan negatif dilihat dari titik gangguan () Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

7 7 4. Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa Gambar 4. Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa Gangguan hubung singkat tiga fasa termasuk dalam klasifikasi gangguan simetris, dimana arus maupun tegangan setiap fasanya tetap seimbang setelah gangguan terjadi. Sehingga pada sistem seperti ini dapat dianalisa hanya dengan menggunakan komponen urutan positif saja yaitu, (4) dan Z (5) Keterangan : Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadinya gangguan Z Impedansi urutan positif dilihat dari titik gangguan Arus pada fasa a Metode Penelitian Dilakukan dengan metode studi literatur dan observasi, dimana data-data jaringan distribusi yang didapatkan dari PT. PLN Area Pengatur Distribusi (Area Menteng), kemudian disimulasikan menggunakan software ETAP 7.0 dengan menganalisa gangguan hubung singkat pada sistem jaringan distribusi tersebut. Karakteristik GIS Gambir Lama Gardu Induk GIS (Gas Insulated Switchgear) adalah suatu gardu induk yang semua peralatan switchgearnya berisolasikan gas SF-6, dimana pada GIS Gambir Lama terdapat 3 buah trafo tenaga dengan tegangan kerja 50/0 kv, dengan masing - masing trafo mempunyai kapasitas 60 MVA. Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

8 8 Tabel. Data GIS Gambir Lama No. Reog - (Express) Kutai Ludruk Nama GD (S 6B) 630 GD (S 6) GD (S 70) GD (S 8E) GD (S 57) 630 GH 78 - GD (P 75) 400 GD (P 3) 630 GD (P 69) 630 GD (P 76) GD (S 93) 630 GH 78 - Daya Trafo Panjang Kapasitas (kva) Saluran Jenis Penghantar Terpasang (kva) Km (GIS Gambir Lama - GH 78).5 Km (GIS Gambir Lama - GD S 6B) 00 m (GD S 6B - GD S 6) 477 m (GD S 6 - GD S 70).5 Km (GD S 70 - GD S 8E) 400 m (GD S 8E - GD S 57) 700 m (GD S 57 - GH 78).3 Km (GIS Gambir Lama - GD P 75). Km (GD P 75 - GD P 3).33 Km (GD P 3 - GD P 69) 3.07 Km (GD P 69 - GD P 76).6 Km (GD P 76 - GD S 93) 750 m (GD S 93 - GH 78) XLPE (3x300 mm ) - XLPE (3x300 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x300 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x40 mm ) XLPE (3x40 mm ) Dimana pada GIS Gambir Lama terdapat puluhan penyulang yang umumnya system jaringan distribusi tersebut berupa tipe spindle, dimana pada pembahasan ini penulis mengambil data dari beberapa macam penyulang, yaitu; Kutai, Ludruk, dan Reog. Dimana Reog adalah penyulang express dari GIS Gambir Lama yang terhubung langsung ke Gardu Hubung 78. Gambar 5. One Line Diagram GIS Gambir Lama Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

9 9 Simulasi Short Circuit dengan ETAP 7.0 Dalam simulasi dengan menggunakan ETAP 7.0 digunakan acuan dalam standard ANSI/IEEE, dimana dilakukan analisis hubung singkat (short circuit) untuk mengetahui arus kontribusi gangguan yang mungkin terjadi saat terjadinya gangguan hubung singkat. Pada one line diagram dilakukan analisis gangguan hubung singkat pada gangguan tiga fasa, satu fasa ketanah, dua fasa, dan dua fasa ketanah dengan menetapkan fault pada tiap bus disisi tegangan menengah (0kV). Mulai Membuat Single Line Diagram Input Data Sudah Terpenuhi Tidak Ya Running ETAP Analisis Hubung Singkat Sudah Terpenuhi Tidak Ya Rated Breaking Capacity Selesai Gambar 6. Flow Chart Simulasi dan Analisis dengan Menggunakan ETAP Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

10 0 Gambar 7. One Line Diagram Pada ETAP 7.0 Pada simulasi tersebut didapatkan nilai dari impedansi urutan positif (Z ), impedansi urutan negatif (Z ), dan impedansi urutan nol (Z 0 ). Dimana nantinya akan diketahui besarnya arus gangguan hubung singkat dari tiap macam gangguan, sebagai contoh pada Bus GIS Gambir Lama : V f :9.945 kv Impedansi pada ½ Cycle : Z Ω Z Ω Z Ω Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

11 Gangguan Hubung Singkat 3 Fasa Z ka Gangguan Hubung Singkat L-G Z + Z + Z ka Gangguan Hubung Singkat L-L Z + Z ka Gangguan Hubung Singkat L-L-G ZZ 0 Z + Z + Z ka Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

12 . ½ Cycle Kondisi sub-transient dari arus gangguan hubung singkat, dimana selang waktu terjadinya gangguan 0 ms Tabel. Arus Hubung Singkat Dengan Waktu Gangguan ½ Cycle No. Nama Bus Tegangan Short Circuit rms (ka) (kv) 3 Fasa L-G L-L L-L-G GIS Gambir Lama Gardu Hubung S 6B S Kutai S S 8E S P P Ludruk P P S Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

13 Cycle Kondisi transient dari arus gangguan hubung singkat, dimana selang waktu terjadinya gangguan ms Tabel 3. Arus Hubung Singkat Dengan Waktu Gangguan.5-4 Cycle No. Nama Bus Tegangan Short Circuit rms (ka) (kv) 3 Fasa L-G L-L L-L-G GIS Gambir Lama Gardu Hubung S 6B S Kutai S S 8E S P P Ludruk P P S Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

14 Cycle Kondisi steady state dari arus gangguan hubung singkat, dimana selang waktu terjadinya gangguan 600 ms Tabel 4. Arus Hubung Singkat Dengan Waktu Gangguan 30 Cycle No. Nama Bus Tegangan Short Circuit rms (ka) (kv) 3 Fasa L-G L-L L-L-G GIS Gambir Lama Gardu Hubung S 6B S Kutai S S 8E S P P Ludruk P P S Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

15 5 Dari hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan ETAP, dapat dilihat bahwa kontribusi arus gangguan hubung singkat yang mungkin mengalir pada setiap cabang didalam sistem jaringan distribusi berikut. Gambar 8. Kontribusi Arus Gangguan Hubung Singkat Pada Sistem Dapat dilihat bahwa arus gangguan hubung singkat dipengaruhi oleh panjang saluran. Hal ini karena besarnya impedansi saluran bergantung pada panjang kabel, jenis kabel, dan diameter L kabel yang digunakan. Dengan persamaan R ρ A dan arus I sc Z l Dimana : R : Resistance ( Ω ) ρ : Resistivity ( Ω m ) [ L : Length of Conductor ( m ) 8 Al.8x0 m Ω ] A : Cross Sectional Area of Conductor ( m ) [ mm x0 m ] 6 Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

16 6 Penentuan Breaking Capacity Berdasarkan tabel arus hubung singkat dari hasil simulasi dengan menggunakan ETAP, dapat dilihat arus maksimum dan minimum saat terjadinya gangguan hubung singkat pada gangguan simetris untuk gangguan tiga fasa (3P) dan arus gangguan tak simetris untuk gangguan line ke line (L-L), dua fasa ketanah (L-L-G), dan gangguan satu fasa ketanah (L-G). Dimana estimasi frekuensi terjadinya jenis gangguan dalam sistem sebagai berikut, Tabel 5. Kemungkinan Terjadinya Gangguan Fault Percentage 3P or 3P-G 8% L-L % L-L-G 0% L-G 70% (Sumber : Short Circuit Analysis Program ANSI/IEC/IEEE & Protective Device Evaluation) untuk gangguan hubung singkat tiga fasa dapat dianggap sebagai gangguan yang paling parah, karena gangguan tiga fasa akan menghasilkan arus gangguan terbesar. Akan tetapi pada kondisi tertentu, gangguan satu fasa ke tanah dan gangguan dua fasa ke tanah dapat menimbulkan arus gangguan yang lebih besar dari arus gangguan tiga fasa. Hal ini bisa terjadi apabila impedansi urutan nol (Z 0 ) pada titik gangguan lebih kecil daripada impedansi urutan positif (Z Z ). Dalam penentuan breaking capacity dapat dilihat dari waktu gangguan arus hubung singkat pada kondisi ½ Cyle,,5 4 Cycle, dan 30 Cycle. Dimana pada bus GIS Gambir Lama (main bus) didapat waktu gangguan arus hubung singkat tiga fasa sebagai berikut, ½ Cycle : ka.5 4 Cycle : 3.4 ka 30 Cycle :.966 ka Gambar 9. Waktu Gangguan Arus Hubung Singkat Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

17 7 Dimana dari hasil observasi yang didapat, pada GIS Gambir Lama dan Gardu Distribusi yang berada dipenyulang Kutai, Ludruk, Reog, serta Gardu Hubung 78 digunakan circuit breaker dengan In 50 A dan rated breaking capacity 6 ka. Sehingga apabila dilihat dari tabel data hasil simulasi pada Gardu Induk GIS Gambir Lama, arus hubung singkat maksimum sebesar ka. Dapat dikatakan bahwa circuit breaker akan trip atau bahkan hancur karena tidak mampu menahan arus gangguan hubung singkat yang terjadi pada siklus pertama (½ cyle), karena besarnya arus gangguan hubung singkat yang terjadi lebih besar dari rated breaking capacity yang ada. Sehingga sebaiknya digunakan circuit breaker dengan In 50 A dan rated breaking capacity 5 ka agar mampu menahan arus gangguan hubung singkat maksimum apabila terjadinya gangguan. Tabel 6. Rated Breaking Capacity No. Nama Bus Eksisting Breaking Rated Breaking Isc Max (ka) Capacity (ka) Capacity (ka) GIS Gambir Lama Gardu Hubung S 6B S Kutai S S 8E S P P P Ludruk P S Kesimpulan Berdasarkan uraian dan penjelasan pada bab-bab sebelumnya mengenai gangguan hubung singkat untuk penentuan breaking capacity pada penyulang Kutai, Ludruk, dan Reog di GIS Gambir Lama, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa pada Gardu Induk GIS Gambir Lama sebaiknya digunakan circuit breaker dengan In 50 A dan rated breaking capacity 5 ka, untuk Gardu Distribusi di Kutai, Ludruk, dan Reog serta Gardu Hubung sebaiknya menggunakan circuit breaker dengan In 50 A dan rated breaking capacity 0 ka, agar mampu menahan arus gangguan hubung singkat maksimum apabila terjadinya gangguan. Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04

18 8 Daftar Referensi [] Kadir, Abdul. (000). Distribusi & Utilisasi Tenaga Listrik. Salemba: UI Press. [] Kriteria Disain Enjinering Kontruksi Jaringan Distribusi Tenaga Listrik. (00). PT. PLN (Persero). [3] Power Analytics CORPORATION. (0). Short Circuit Analysis Program ANSI/IEC/IEEE & Protective Device Evaluation. San Diego: Author. [4] Cahiers Techniques No. 58. (005). Calculation of Short Circuit Current. Grenoble: Schneider Electric. [5] ABB. (008). Theory and Examples of Short Circuit Calculation. Bergamo: Author. [6] ABB (0). Calculation of Short Circuit Currents in Three Phase System. Bergamo: Author. Analisis Gangguan..., Farekh Huzair, FT UI, 04