PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR - TE PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA Fauzi Surya Wicaksono NRP Dosen Pembimbing Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultar Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

2 TUGAS AKHIR TE PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA Fauzi Surya Wicaksono NRP Dosen Pembimbing Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

3 FINAL PROJECT TE CALCULATION AND ANALYSIS OF GENERATOR PROTECTION RELAY FOR NEW 2 X 1.5 MVA GENERATOR IN PT. GRESIK POWER INDONESIA Fauzi Surya Wicaksono NRP Supervisors Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT Faculty of Electrical Technology Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

4 PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR Dengan ini saya menyatakan bahwa isi sebagian maupun keseluruhan Tugas Akhir saya dengan judul PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA adalah benar benar hasil karya intelektual mandiri, diselesaikan tanpa menggunakan bahan-bahan yang tidak diizinkan dan bukan merupakan karya pihak lain yang saya akui sebagai karya sendiri. Semua referensi yang dikutip maupun dirujuk telah ditulis secara lengkap pada daftar pustaka. Apabila ternyata pernyataan ini tidak benar, saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan yang berlaku. Surabaya 14 Juli 2017 Fauzi Surya Wicaksono iii

5 (Halaman ini sengaja dikosongkan) iv

6

7 (Halaman ini sengaja dikosongkan) vi

8 PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA Fauzi Surya Wicaksono Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II : Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. : Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. ABSTRAK Generator sebagai penyedia daya listrik dalam sistem, generator sangat dijaga untuk tidak trip. Tripnya generator akan sangat berpengaruh pada sistem. Sehingga generator harus dijaga untuk tidak mudah trip, namun masih dalam batas aman untuk generator beroperasi. Untuk menjaga keandalan kerja generator, generator membutuhkan skema proteksi yang berfungsi untuk menyeleksi dan mengisolir generator ketika terjadi gangguan. Skema proteksi yang digunakan untuk generator dengan ukuran 1,5 MVA dengan tegangan 11KV adalah skema proteksi generator menengah. Skema proteksi generator menengah menggunakan relay 64F, 87, , 51N, 32, 51V. Pengaturan parameter yang diterapkan pada relay membutuhkan perhitungan sesuai dengan kondisi sistem generator tersebut dipasang, dan selain itu terdapat juga nilai standar setting untuk beberapa fungsi relay. Kata Kunci: Generator Sinkron, Proteksi Generator AC, Relay Proteksi vii

9 Halaman ini sengaja dikosongkan viii

10 CALCULATION AND ANALYSIS OF GENERATOR PROTECTION RELAY FOR NEW 2 X 1.5 MVA GENERATOR IN PT. GRESIK POWER INDONESIA Fauzi Surya Wicaksono Supervisor I Supervisor II : Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T. : Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. ABSTRACT Generator as rotating machine and as primary electrical energy supplier must be designed with minimum failure, and sensitive to all fault possibility. There are few standards in the world to protect generator. Whether fault caused from generator internal, generator misoperation, or fault from the system which the generator is connected. Many type of relay is available for generator protection. From that circumstance, protection scheme, calculation, and analysis of generator protection relay is needed to maintain continuity, life time, and energy supply of the synchronous generator. Protection scheme used to protect generator sized of 1.5 MVA and 11KV is a medium generator protection scheme. Generator is protected using 64F, 87, , 51N, 32, 51V relay. The setting is designed to suit the generator and the system it installed, and few of the setting is standard that can be applied. Keywords: Synchronous Generator, AC Generator Protection, Protection Relay ix

11 Halaman ini sengaja dikosongkan x

12 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan yang maha esa, Tuhan semesta alam, Allah SWT. Karena atas rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan penulisan buku tugas akhir dengan judul PERHITUNGAN DAN ANALISIS RELAY PROTEKSI GENERATOR BARU 2 X 1.5 MVA PADA PT. GRESIK POWER INDONESIA Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan program Strata-1 pada Jurusan Teknik Elektri Fakultas Teknologi Industri Institut Sepuluh Nopember Surabaya Penulis menyadari bahwa dalam proses penulisan buku tugas akhir ini banyak kendala, dan hambatan, namun berkat bantuan, bimbingan, kerja sama, dan doa dari berbagai pihak, pada akhirnya hal-hal tersebut dapat dilampaui. Oleh sebab itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih sebanyak-banyaknya, dan penghargaan tertinggi kepada: 1. Allah SWT, karena atas izin, rahmat, dan hidayah-nya lah penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Kedua orang tua, Bapak Eddy Suryanto, Ibu Tity Purwanti, dan juga kedua adik, Adinda, Dan Fariz, karena atas doa, semangat, dukungan mereka. Kalian Terbaik! 3. Bapak Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T dan Bapak Dr. Dimas Anton Asfani, S.T., M.T. sebagai pembimbing atas semua dukungan, bantuan, arahan, dan ilmunya yang membuat Tugas Akhir ini dapat diselesaikan. 4. Kepada teman-teman terbaek, Rekan-rekan e52, dan khususnya bidang studi Teknik Sistem Tenaga, atas dukungan, semangat, dan pencerahannya. Penulis mengharapkan penulisan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, dan bagi yang membutuhkannya Surabaya, Juli 2017 Penulis xi

13 Halaman ini sengaja dikosongkan xii

14 DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL... i PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR... iii LEMBAR PENGESAHAN... v ABSTRAK... vii KATA PENGANTAR... xi DAFTAR ISI... xiii DAFTAR GAMBAR... xvii DAFTAR TABEL... xix BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Tugas Akhir Metodologi Sistematika Penulisan Relevansi... 3 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Proteksi Generator Fungsi relay proteksi generator Relay Proteksi Belitan Medan (64F) Relay Arus Diferensial Fasa (87) Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) Relay Loss Of Field (40) Relay Arus Urutan Negatif (46) Relay Directional Power (32) Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restrained (51V) BAB 3 DATA GENERATOR DAN SISTEM Generator Sistem Spesifikasi Fungsi Proteksi Relay Relay Proteksi Belitan Medan (64F) Relay Arus Differensial (87) xiii

15 3.3.3 Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) Relay Loss of Field (40) Relay Arus Lebih Urutan Negatif (46) Relay Directional Power (32) Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restrained (51V) BAB 4 Perhitungan setting relay Relay Proteksi Belitan Medan (64F) Relay Arus Diferensial Fasa (87) Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) Relay Loss Of Field (40) Zona Zona Relay Arus Urutan Negatif (46) Relay Directional Power (32) Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restraint (51V) BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A A.1 Single Line Diagram Sistem RIWAYAT HIDUP xiv

16 TABLE OF CONTENTS TITLE... i THESIS AUTHENTICITY DECLARATION... iii APPROVAL SHEET... v ABSTRACT... ix ACKNOWLEDGEMENTS... xi TABLE OF CONTENTS... xv TABLE OF FIGURES... xvii TABLE OF TABLES... xix BAB 1 INTRODUCTION Background Main Problem Limitations Objectives Methods Organization of Thesis Relevance... 3 BAB 2 LITERATURE REVIEW Generator Protection Generator Protection Relay Function Field Winding Protection Relay (64F) Phase Current Differential Relay (87) Inverse Time Neutral Overcurrent Relay (51N) Loss of Field Relay (40) Negative Sequence Overcurrent Relay (46) Directional Power Relay (32) Voltage Control or Restraint Inverse Time Overcurrent Relay (51V) BAB 3 GENERATOR AND SYSTEM DATA Generator Specifications System Protection Relay Function Specification Field Winding Protection Relay (64F) Phase Current Differential Relay (87) xv

17 3.3.3 Inverse Time Neutral Overcurrent Relay (51N) Loss of Field Relay (40) Negative Sequence Overcurrent Relay (46) Directional Power Relay (32) Voltage Control or Restraint Inverse Time Overcurrent Relay (51V) BAB 4 RELAY SETTING CALCULATION Field Winding Protection Relay (64F) Phase Current Differential Relay (87) Inverse Time Neutral Overcurrent Relay (51N) Loss of Field Relay (40) Zone Zone Negative Sequence Overcurrent Relay (46) Directional Power Relay (32) Voltage Control or Restraint Inverse Time Overcurrent Relay (51V) BAB 5 CONCLUSION AND SUGGESTION Conclusion Suggestion REFERENCES ATTACHMENT A A.1 System Single Line Diagram CURRICULUM VITAE xvi

18 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema relay proteksi tipikal untuk generator ukuran medium... 6 Gambar 2.2 Skema Injeksi Sinyal Kotak ke Belitan Medan pada Rotor 9 Gambar 2.3 Pemasangan Relay Percentage Differential Gambar 2.4 Skema Setting Relay Loss of Field [1] Gambar 2.5 Nilai konstanta K untuk generator rotor silinder 801MVA- 1600MVA Gambar 3.1 Posisi Generator pada Sistem Gambar 4.1 Nilai saat full load Gambar 4.2 Arus saat hubung singkat eksternal Gambar 4.3 Arus saat hubung singkat internal Gambar 4.4 Hasil Setting Fungsi 51N Gambar 4.5 Hasil Perhitungan Untuk Pengaturan Relay Loss of Field Gambar 4.6 Kurva operasi kontinu unbalanced generator Gambar 4.7 Kurva operasi kontinu dan short time capability unbalanced generator Gambar 4.8 Unbalanced generator capability curve Gambar 4.9 Kurva setting dan unbalanced generator capability curve Gambar 4.10 Kurva koordinasi relay arus lebih eksisting Gambar 4.11 Kurva koordinasi relay dengan setting 51V xvii

19 Halaman ini sengaja dikosongkan xviii

20 DAFTAR TABEL Tabel 2-1 Konstanta Kurva Time Delay IEEE Tabel 2-2 Besar arus urutan negatif yang diperbolehkan [1] Tabel 2-3 Besar konstanta K untuk generator [1] Tabel 2-4 Kemampuan Motoring Generator Berdasarkan Tipe Prime Mover [8] Tabel 3-1 Detil setting fungsi 64F Tabel 3-2 Detil setting fungsi Tabel 3-3 Detil setting fungsi 51N Tabel 3-4 Detil setting fungsi Tabel 3-5 Detil setting fungsi Tabel 3-6 Detil setting fungsi Tabel 3-7 Detil setting fungsi 51V Tabel 4-1 Hasil perhitungan semua kondisi hubung singkat xix

21 Halaman ini sengaja dikosongkan xx

22 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang PT. Gresik Power Indonesia, merupakan salah satu bagian dari LINDE Group. Sebuah perusahaan yang bergerak dibidang penyedia gas di Indonesia sejak tahun PT. Gresik Power Indonesia memroduksi dan mendistribusikan keperluan gas-gas khusus, gas industri, hingga gas medis. Selain itu juga menyediakan pelayanan terkait, termasuk instalasi peralatan, jalur pipa gas, dan pelayanan engineering. Dalam proses pengembangan bisnisnya, PT. Gresik Power Indonesia membutuhkan tambahan daya pada pabrik untuk menambah volume produksi. Penambahan volume produksi dari PT. Gresik Power Indonesia membutuhkan pasokan daya tambahan. PT. Gresik Power Indonesia menambah dua unit generator sebesar 1,5 MVA untuk memebuhi kebutuhan tersebut. Sejalan dengan penambahan kapasitas daya dari pabrik tersebut dengan menambah unit generator, dibutuhkan pula proteksi untuk unit generator baru tersebut. Proteksi pada generator dibutuhkan agar generator dapat bekerja dengan baik, dan menjaga umur dari generator tersebut. Relay proteksi digunakan untuk mengamankan generator dari kondisi gangguan dan pengoperasian abnormal. Entah gangguan yang berasal dari internal generator tersebut maupun, gangguan yang berasal dari sistem dimana generator tersebut dipasang. Untuk mengatur kerja relay proteksi tersebut dibutuhkan perhitungan yang mempertimbangkan satu atau beberapa aspek. Oleh karena itu menentukan dan perhitunggan untuk setting relay proteksi generator dibutuhkan. Karena relay proteksi untuk dapat bekerja dengan baik, dan sesuai dengan peralatan yang dilindunginya harus sesuai dengan keadaan riil kondisi dan spesifikasi dari peralatan tersebut. Untuk mengamankan generator dari gangguan dan pengoperasian tidak normal dibutuhkanlah perhitungan setting relay proteksi. 1

23 1.2 Perumusan Masalah Generator dalam pengoperasiannya membutuhkan proteksi dari halhal yang menggangu ketersediaan daya yang dihasilkan oleh generator, atau hal yang dapat mengurangi umur dari generator tersebut. Gangguan yang datang dapat berasal dari internal generator sinkron itu sendiri maupun dari sistem yang disuplainya. Pengaturan setting relay sangat dibutuhkan untuk diterapkan sebagai proteksi dari generator. 1.3 Batasan Masalah Permasalahan pada tugas akhir ini dibatasi oleh beberapa hal antara lain: 1. Pengaturan relay yang diaplikasikan untuk proteksi generator berukuran 1.5 MVA. 2. Relay yang digunakan untuk memproteksi generator berdasarkan standar ANSI adalah relay 64F, 87, , 51N, 32, 51V. 1.4 Tujuan Tugas Akhir Tujuan yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini adalah: 1. Menghitung setting relay proteksi generator baru yang dipasang di PT. Gresik Power Indonesia 2. Menerapkan perhitungan proteksi relay pada relay Beckwith Electric M3425A yang terpasang untuk memroteksi generator baru. 1.5 Metodologi Perhitungan setting relay yang digunakan pada Tugas Akhir ini berdasarkan perhitungan dengan standar perhitungan standar ANSI/IEEE C37.102, atau C50.13, atau standar Alstom yang sudah dipublikasikan, serta petunjuk User Manual dari relay Beckwith Electric M3425A 1.6 Sistematika Penulisan Buku tugas akhir ini terdiri dari lima bab dan disusun menurut sistematika penulisan seperti berikut ini: 2

24 Bab Pertama, Pendahuluan, Berisi tentang latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan, sistematika penulisan, dan relevansi. Bab Kedua, Dasar Teori. Berisi teori-teori yang menunjang penelitian, berupa teori tentang generator sinkron, relay proteksi, serta pengetahuan lainnya yang dibutuhkan untuk mengetahui cara perhitungan setting relay proteksi generator. Bab Ketiga, Data Generator, dan Sistem. Berisi tentang data dari generator baru yang akan diproteksi oleh relay. Dilanjutkan dengan penjelasan posisi generator pada sistem. Selain itu juga terdapat spesifikasi dari relay yang digunakan untuk penerapan perhitungan setting relay. Bab Keempat, Perhitungan Setting Relay. Berisi tentang perhitungan pengaturan relay untuk beberapa jenis fungsi proteksi. Bab Kelima, Kesimpulan dan Saran. Berisi kesimpulan dan saran yang dapat dijadikan bahan pertimbangan berdasar dari hasil pengerjaan tugas akhir ini. 1.7 Relevansi Hasil yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini adalah diharapkan mencapai hal berikut: 1. Mendapatkan pengaturan setting relay untuk proteksi generator GEG-RENT Sebagai acuan pertama untuk perbaikan proteksi selanjutnya dari generator GEG-RENT Sebagai salah satu dasar acuan bagi peneliti berikutnya untuk meneliti lebih lanjut lagi pada bidang ini. Perhitungan pengaturan relay ini dapat dikembangkan lagi untuk meningkatkan koordinasi proteksi yang lebih baik lagi. 3

25 Halaman ini sengaja dikosongkan 4

26 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Proteksi Generator Dalam kondisi apapun, gangguan adalah hal yang tidak mungkin dihilangkan sama sekali. Gangguan akan selalu ada dan daptat muncul sewaktu-waktu. Sebagai peralatan penyedia energi listrik, generator dituntut untuk terus bekerja sesuai dengan permintaan energi. Terus menyediakan energi listrik pada kondisi apapun, dengan gangguan yang kapanpun mungkin akan terjadi. Untuk mempertahankan generator dari gangguan yang terjadi, dan juga untuk mempertahankan generator agar tidak rusak secara prematur, sebuah skema proteksi untuk generator sangat dibutuhkan. Masalah yang muncul dapat muncul dari sumber manapun. Gangguan dapat muncul dari sistem yang terhubung dengan generator, unit transformer generator, bahkan hingga internal dari generator itu sendiri. Masalah yang terjadi dapat mengurangi kualitas energi yang diproduksi, mengganggu keberlangsungan generator dalam memproduksi energi listrik, atau bahkan lebih jauh lagi mengurangi umur dari generator itu sendiri. Bentuk dari skema proteksi generator akan berbeda untuk setiap kenis generator. Dilihat dari jenis prime mover generator tersebut, bagaimana generator tersebut ditanahkan, hingga ukuran dari mesin generator tersebut. Namun skema proteksi dari generator yang direkomendasikan berdasarkan ukuran mesin dari generator. Untuk generator diatas 600V dengan kapasitas diatas 500kVA hingga 12500kVA dikategorikan sebagai generator dengan ukuran medium. Generator dengan ukuran medium, minimum menggunakan 7 jenis fungsi relay untuk mengamankan operasinya[2]. Ketujuh jenis tersebut terhubung dengan generator seperti pada gambar 2.1. dan ketujuh fungsi tersbut adalah 51V, Voltage restrain or controlled overcurrent relay. 51G, Ground time-overcurrent relay. 87, Differential relay. 32, Directional power relay. 5

27 40, Impedance relay. 46, Negative-phase-sequence relay. 64F, Generator field ground relay. Ketujuh fungsi relay tersebut di-setting sesuai dengan spesifikasi mesin dari generator. Nilai setting akan berpengaruh dari nilai reaktansi generator, bagaimana generator tersebut ditanahkan, bagaimana koordinasi arus lebih pada sistem, dan sebagainya. Setiap fungsi relay memiliki kebutuhan spesifikasi tersendiri untuk menentukan nilai setting. Gambar 2.1 Skema relay proteksi tipikal untuk generator ukuran medium 2.2 Fungsi relay proteksi generator Proteksi yang dibutuhkan untuk generator akan meliputi perlindungan untuk stator, perlindungan untuk rotor, dan perlindungan saat kondisi dan pengoperasian abnormal. Proteksi tersebut menggunakan relay yang meliputi bagian-bagian tersebut. Untuk metode proteksi akan dijelaskan per-fungsi relay, termasuk caara kerja, skema, dan alasan mengapa relay tersebut dipasang. 6

28 2.2.1 Relay Proteksi Belitan Medan (64F) Perlindungan untuk belitan medan medan pada rotor utamanya adalah perlindungan rotor terhadap pada hubung singkat ke tanah pada rangkaian belitan medan untuk generator yang menggunakan elektromagnet sebagai sumber medan magnetnya. Untuk rotor yang menggunakan magnet permanen sebagai sumber dari medan magnetnya, proteksi untuk rotor ini tidak ada. Rangkaian yang digunakan untuk membuat medan magnet menggunakan elektromagnet bersumber dari tegangan DC (Tegangan searah). Jika terjadi kebocoran isolasi pada belitan medan, pada belitan medan akan muncul titik tanah baru, dan menyebabkan medan yang terbangkitkan pada belitan tidak sesuai dengan kebutuhan generator. Selain itu dapat juga menyebabkan penyebaran fluks pada airgap tidak menyebar secara merata dan dapat menyebabkan vibrasi yang mengakibatkan kerusakan mekanis. Untuk mendeteksi titik tanah pada belitan medan terdapat berbagai macam cara. Untuk kali ini skema yang digunakan adalah dengan skema pendeteksian titik tanah dengan menginjeksikan sinyal kotak frekuensi rendah. Sesuai dengan spesifikasi relay yang digunakan untuk mengamankan generator. Proteksi belitan medan pada stator menggunakan injeksi sinyal kotak dengan frekuensi rendah bekerja dengan menginjeksikan sinyal AC tambahan yang berasal dari relay ke kutub positif dari arus DC pada belitan medan dengan frekuensi tertentu. Setelah itu kutub negatif dan body dari generator yang ditanahkan dihubungkan dengan relay kembali untuk mendeteksi apakah ada gangguan pada isolasi belitan medan pada generator. Relay mendeteksi gangguan dengan mengalkulasi kebocoran isolasi pada belitan medan dengan mendeteksi sinyal yang kembali ke relay. Lalu relay akan mendapatkan nilai resistansi dari isolasi belitan medan. Untuk setting dari relay 64F ini terdapat 3 Nilai yang diatur. Frekuensi injeksi, Nilai Pickup, dan Delay. Untuk Frekuensi Injeksi dari sinyal kotak dengan frekuensi diantara 0.1 hingga 1.0 Hz. Besar nilai frekuensi injeksi sinyal kotak tersebut diatur atas pertimbangan besar dari 7

29 nilai kapasitansi belitan medan. Untuk Nilai Pickup berupa besar nilai resistansi dari isolasi belitan, ketika nilai isolasi turun dibawah dari nilai yang di-set relay mendeteksi kejadian tersebut sebagai gangguan. Untuk Nilai pickup dari 64F, di-set sebesar 20 KW untuk alarm, dan ditambah pickup sebesar 5 KW untuk trip dalam kondisi kritis [standar IEEE]. Setting untuk delay waktunya dari pickup hingga relay mengirimkan sinyal baik itu sinyal trip ataupun alarm adalah sebesar 600 cycle untuk alarm, dan 300 cycle untuk trip [14]. Seperti yang disebutkan sebelumnya, ketika nilai resistensi isolasi belitan medan sudah turun dibawah nilai tertentu selama waktu tertentu, relay 64F memiliki dua opsi, mengirim sinyal trip, atau menghidupkan alarm. Terdapat dua skema penyelesaian ketika terjadi permasalahan yang menyebabkan relay 64F ini bekerja. Cara pertama yaitu dengan membunyikan alarm ketika pickup pertama, untuk menandakan kepada personnel yang bertuga untuk meniadakan masalah tersebut dalam durasi waktu yang telah ditentukan, ketika masalah berhasil diatasi generator akan berfungsi normal, dan ketika masalah belum berhasil diatasi generator harus dimatikan untuk terhindar dari masalah yang lebih fatal. Cara kedua yaitu dengan relay langsung mengeluarkan perintah trip ketika masalah terdeteksi dan sudah berlangsung melebihi batas waktu yang telah di-set Relay Arus Diferensial Fasa (87) Relay arus differensial fasa yang digunakan untuk memproteksi generator umumnya berfungsi untuk mendeteksi gangguan pada fasa belitan stator. Relay differensial akan mendeteksi hubung singkat pada fasa stator berupa gangguan tiga fasa, hubung singkat antar fasa, hubung singkat dua fasa ke tanah, dan hubung singkat satu fasa ke tanah. Untuk pendeteksian hubung singkat satu fasa ke tanah bergantung dengan bagaimana generator ditanahkan. 8

30 Gambar 2.2 Skema Injeksi Sinyal Kotak ke Belitan Medan pada Rotor Proteksi menggunakan relay arus differensial yang digunakan adalah percentage slope differential relay. Percentage differential relay, bekerja dengan cara yang hampir sama, namun pada relay ini terdapat dua atau lebih coil tambahan pada ujung dari coil utama. Relay ini memiliki fungsi utama untuk melindungi peralatan yang berada diantara dua CT yang digunakan. Jadi, relay akan mendeteksi gangguan ketika gangguan terjadi di peralatan tersebut, dan tidak bereaksi ketika terjadi gangguan diluar dari kedua CT tersebut. Kumparan utama pada relay dialiri selisih arus yang didapat dari kedua CT. Kumparan penahan (Restraining coil) dialiri arus yang bernilai dari rata-rata kedua arus dari CT. Kedua kumparan tersebut berfungsi untuk menghasilkan torsi putaran yang arahnya berbeda namun besarnya sama ketika tak terjadi gangguan. Relay akan bekerja ketika torsi putaran yang dihasilkan oleh kumparan utama lebih besar dariada torsi putaran yang dihasilkan oleh kumparan penahan. Secara riil-nya torsi kumparan utama akan lebih besar ketika besar arus yang yang dideteksi oleh CT tidak seimbang. 9

31 Gambar 2.3 Pemasangan Relay Percentage Differential Relay differensial jenis ini diatur bedasarkan arus pickup, persenan dari perbandingan arus utama dan arus penahan, dan terakhir adalah delay waktu. Arus pickup berupa arus yang terdapat pada arus penahan. Cara relay menentukan gangguan adalah ketika relay menerima arus pada penahan lebih besar daripada arus setting pickup dan persenan dari perbandingan antara arus utama dan arus penahan lebih besar dari pada persenan setting relay selama durasi yang lebih panjang dari setting time delay. Menurut (contoh pada) standar yang dipublikasikan oleh IEEE, standar untuk setting relay 87 ini adalah sebesar (0,3A) dan dengan besar setting slope sebesar 10%. Untuk setting delay waktu dilakukan tanpa delay. Untuk pengaturan relay ini yang menjadi bahan pertimbangan bukan hanya sistem kerja relay saja. Walaupun relay jenis ini umumnya akan sensitif terhadap gangguan pada internal stator, tetapi tidak akan mendeteksi gangguan yang akan terjadi apabila CT mengalami gangguan saturasi arus. Spesifikasi CT yang digunakan untuk proteksi gangguan fasa pada belitan stator dari generator harus dapat membaca arus gangguan yang terjadi dalam kondisi gangguan. CT harus dapat membaca jumlah arus yang tinggi. Selain itu dibutuhkan konfigurasi arus CT yang satu arah dikedua sisinya Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) Relay 51N ini berfungsi khusus untuk mendeteksi kegagalan yang terjadi dengan cara mengukur arus lebih pada kawat netral generator. Nilai arus yang didaat oleh relay bersumber dari CT yang dipasang pada 10

32 kawat netral dari generator. Relay 51N akan mengoperasikan sinyal setelah arus yang diterima oleh relay melebihi nilai pickup dari setting pada relay. Setelah relay mendeteksi sebuah gangguan, relay tidak langsung mengoperasikan sinyal, pada relay 51N terdapat karakteristik waktu yang menjadi jeda antara waktu arus melebihi nilai pickup dan pengoperasian sinyal dari relay. Besarnya waktu jeda antara pickup dan pengoperasian sinyal berbeda-beda sesuai dengan arus pickup, kurva karakteristik waktunya, dan time dial-nya. Untuk durasi jeda dari semua kurva karakteristik waktunya akan semakin panjang ketika besar arus gangguan tidak berbeda jauh dengan arus pickup, dan durasi jeda akan semakin singkat ketika besar arus gangguan semakin jauh melebihi arus pickup. Untuk mendapatkan nilai jeda waktu hingga relay mengoperasikan sinyal diatur melalui kurva karakteristik dan time dial. Kurva karakteristik dan time dial dari relay arus lebih dengan jeda waktu inverse dijelaskan pada standar IEEE[4] dan dilengkapi dengan guide dari ALSTOM[12] sesuai rumus sebagai berikut. t(i) = TD 7 A ( I input ) I ( pickup p + B 1 ) 2.1 Dimana, t(i) waktu trip dalam detik TD Time Dial I input besar arus yang dibaca oleh relay I pickup besar arus pickup pada setting relay A,B,p besar konstanta untuk tiap karakteristik kurva 11

33 Tabel 2-1 Konstanta Kurva Time Delay IEEE Karakteristik A B p Kurva Moderately 0,0515 0,1140 0,02 Inverse Very Inverse 19,61 0,491 2,00 Extremely Inverse 28,2 0,1217 2,00 Rumus tersebut merupakan rumus pembuat kurva waktu trip berdasarkan arus yang mengalir ke relay. Relay 51N ini dapat digunakan untuk memproteksi generator gangguan berupa arus hubung singkat satu fasa ke tanah pada belitan stator generator. Gangguan ini dapat menyebabkan arus yang besar mengalir pada kawat netral dari generator ke arah generator. Seringnya relay differensial yang digunakan untuk proteksi hubung singkat tiga fasa atau hubung singkat antar fasa pada belitan stator tidak dapat mendeteksi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah. Sehingga dibutuhkan relay yang dapat untuk mendeteksi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah. Nilai setting dari pickup dari relay 51N di-set diantara 10% hingga 40% dari arus maksimum hubung singkat ke tanah pada stator. Untuk penentuan kurva, disesuaikan dengan kurva eksisting yang ada pada sistem Relay Loss Of Field (40) Relay 40 ini merupakan relay yang berfungsi khusus untuk mendeteksi hilangnya eksitasi yang terdapat pada generator. Relay Loss of Field merupakan relay jarak yang dipasang pada terminal dari generator untuk mengawasi kondisi generator. Relay di-setting untuk dapat mendeteksi kondisi generator ketika kekurangan eksitasi hingga bahkan kehilangan sama sekali eksitasi. Cara kerja relay loss of field adalah dengan mengukur impedansi. Relay merupakan satu elemen relay jarak mho satu fasa dengan offset. 12

34 Pada diagram R-X, relay akan membentuk lingkaran karakteristik trip relay. Impedansi yang terukur akan dianggap sebagai gangguan ketika impedansi memasuki lingkaran yang telah di-set. Sistem eksitasi pada generator befungsi untuk menyediakan medan magnet untuk generator untuk tetap berada dalam kondisi sinkron dengan sistem. Ketika dalam kondisi kehilangan eksitasi, generator sinkron akan mengalami overspeed dan beralih fungsi menjadi generator induksi. Dengan terjadinya overspeed pada generator, generator akan kehilangan sinkron dengan sistem. Kejadian hilangnya eksitasi ini dapat berakibat masif. Walaupun generator ketika beralih fungsi dari sinkron menjadi induksi tetap menghasilkan daya aktif ke sistem, generator akan mendapatkan eksitasinya dari sistem dalam betuk VAR. Sistem akan kehilangan suplai daya reaktif dan akan dapat berakibat pada turunnya level tegangan pada sistem. Lalu apabila terdapat generator lain yang terparalel dengan generator yang bermasalah, performa dari generator lainnya juga akan terganggu. Pada standar yang dipublikasikan oleh IEEE terdapat standar setting untuk relay loss of field untuk kondisi generator sinkron yang kehilangan eksitasi pada rotornya. Standar setting tersebut menggunakan dua elemen relay jarak mho dengan offset negatif. Kedua elemen tersebut di-set dengan nilai setting yang berbeda diantara kedua elemennya. Pada relay loss of field umumnya terdapat tiga parameter yang disetting. Pertama adalah Circle Diameter, parameter setting ini diatur untuk menentukan nilai impedansi pickup. Ketika relay mendeteksi impedansi didalam diameter, relay akan mendeteksi sebagai gangguan. Kedua adalah offset, nilai ini diatur untuk menentukan jarak titik tengah lingkaran mho dengan titik nol sumbu reaktansi (Sumbu Y/Vertikal). Yang ketiga adalah time delay, parameter ini untuk menentukan durasi waktu antara relay mendeteksi gangguan hingga relay mengoperasikan sinyal. Untuk standar setting yang telah dipublikasikan oleh IEEE, relay loss of field elemen pertama diatur dengan besar circle diameter senilai 13

35 dengan besar reaktansi sinkron dari generator (Xd). Lalu nilai setting dari offset sebesar setengah dari besar reaktansi transien direct axis dari mesin (X d). Time delay yang digunakan adalah 0.5 detik hingga 0.6 detik, untuk mencegah relay bekerja saat sistem bekerja saat sistem dalam kondisi swing. Gambar 2.4 Skema Setting Relay Loss of Field [1] Pada setting elemen loss of field kedua diatur dengan lebar lingkaran impedansi sebesar 1 p.u. dari base generator. Proteksi ini biasanya dapat mendeteksi kondisi rotor yang kehilangan medan saat kondisi full load hingga terbebani 30%. Delay waktu yang digunakan pada relay mho kedua ini adalah 0.1 detik. Offset yang digunakan untuk elemen mho ini sama dengan setting mho sebelumnya. 14

36 2.2.5 Relay Arus Urutan Negatif (46) Relay 46 ini berfungsi khusus untuk mendeteksi arus urutan negatif yang mengalir pada terminal generator. Cara kerja dari relay ini hampir sama seperti relay arus lebih (50/51), namun pada relay 46 memiliki perbedaan sedikit pada urutan arusnya. Relay 46 hanya men-sensing arus urutan negatif. Arus yang tidak seimbang pada sistem sangat mungkin terjadi. Kebanyakan arus yang tidak stabil diakibatkan oleh pembebanan asimetris (pembebanan hanya pada beberapa fasa saja, tidak semua), Jaringan transmisi yang tidak di transpose, atau hingga hubung singkat yang dapat menyebabkan arus tidak seimbang. Arus yang tidak seimbang yang mengalir di sistem menghasilkan arus urutan negatif (I 2). Arus urutan negatif yang mengalir di sistem akan kembali lagi ke generator, dan akan menyebabkan torsi yang arahnya berlawanan arah dengan putaran generator. Torsi tersebut akan membuat generator kehilangan beberapa daya listrik yang di produksinya. Generator memiliki kemampuan untuk bertahan dari arus urutan negatif dalam kondisi kontinu dan dalam waktu terbatas. Kemampuan generator tersebut dijelaskan pada IEEE std C50.12, IEEE Std C50.13, dan IEC Kemampuan generator tersebut berbeda-beda untuk tiap tipe generatornya. Untuk batas arus urutan negatif yang diperbolehkan untuk generator berupa persentase arus urutan negatif dengan arus total yang mengalir pada stator. Sedangkan untuk kemampuan generator untuk waktu yang terbatas menggunakan kurva karakteristik. Generator dapat bertahan tanpa ada kerusakan saat terdapat arus urutan negatif secara kontinu dibawah nilai tertentu. Pada generator yang beroperasi pada rating kva-nya dan arus pada stator tidak melebihi 105% dari rating generator tersebut, generator dapat menampung arus urutan negatif sebesar jumlah persentase dari jumlah arus yang mengalir pada stator. Untuk spesifikasi persentase jumlah arus urutan negatif tiap pergenerator berbeda-beda seperti yang dijabarkan pada Tabel

37 Tabel 2-2 Besar arus urutan negatif yang diperbolehkan [1] Tipe Generator Besar I 2 yang diperbolehkan (%) Rotor Salient Pole 10 Dengan kumparan peredam 10 Tanpa kumparan peredam 5 Rotor Silinder Peninginan tidak langsung 10 Pendinginan langsung < 350 MVA 8 351MVA MVA 8-(MVA-350)/ MVA 1600 MVA 5 Generator memiliki kurva karakteristik untuk bertahan dari arus urutan negatif ketika arus tersebut lebih tinggi dari yang dijelaskan pada Tabel 2-1 pada waktu yang terbatas. Untuk kemampuan tiap tipe generator dijelaskan menggunakan persamaan berikut I 2 2 t = K Dimana K merupakan konstanta kapabilitas generator, I 2 merupakan arus urutan negatif dalam satuan p.u, dan t adalah waktu maksimum yang diperbolehkan. Nilai kapabilitas generator tersebut berbeda untuk setiap generatornya, dan untuk tiap tipe generatornya dijabarkan dalam tabel berikut. Tabel 2-3 Besar konstanta K untuk generator [1] Tipe Generator Besar K yang diperbolehkan Salient pole 40 Synchronous condenser 30 Rotor Silinder Pendinginan tidak langsung 30 Pendinginan langsung (0-800MVA) 10 ( MVA) Lihat Gambar

38 Gambar 2.5 Nilai konstanta K untuk generator rotor silinder 801MVA- 1600MVA Setting pada relay 46 ini terdapat beberapa parameter sebagai setting. Pertama adalah pickup, pickup ini adalah besar arus urutan negatif yang dianggap sebagai gangguan, ketika nilai arus urutan negatif pada terminal generator lebih tinggi dibandingkan nilai setting ini relay mengklasifikasikan arus tersebut sebagai gangguan. Setting berikutnya merupakan yang berhubungan dengan waktu jeda antara pickup hingga relay mengoperasikan sinyal. Untuk relay tipe elektromekanik, besarnya time dial dan jenis kurva waktu inverse disesuaikan dengan kurva kapabilitas (K) dari generator. Untuk relay statis dan relay digital, kebanyakan untuk kurva waktu invers dari relay sudah disesuaikan dengan kurva kapabilitas (K) dari generator. Untuk relay statis dan digital terdapat beberapa parameter setting tambahan. Pertama adalah waktu maksimum operasi relay, ini adalah jeda waktu maksimum yang dibutuhkan relay untuk bekerja. Yang kedua adalah Waktu reset, ini adalah waktu yang dibutuhkan relay untuk dropout dari nilai pickup Standar setting untuk pickup ketika yang digunakan adalah relay elektromekanik adalah sebesar 0.6 p.u. dari rating arus. Pengaturan time 17

39 dial untuk relay elektromekanik ini menyesuaikan dengan kurva kapabilitas dari generator tersebut. Ketika relay yang digunakan adalah relay digital, arus pickup dari relay diatur sebesar dengan arus urutan negatif yang dapat ditahan oleh generator secara kontinu dan dengan nilai minimum pickup sebesar 0,04 PU. Untuk setting dari time dial relay digital yang memiliki kurva waktu invers yang sama dengan kurva kapabilitas generator, disesuaikan dengan besar Konstanta kapabilitas dari generator tersebut. Namun dengan catatan, waktu operasi dari relay 46 ini tidak beroperasi lebih cepat dari relay utama yang memroteksi arus fasa generator. Untuk parameter setting tambahan yang dimiliki oleh relay statis dan relay digital yang memiliki kurva invers yang sama dengan kurva kapabilitas dengan generator juga diatur pada standar yang dipublikasikan oleh IEEE. Untuk waktu maksimum operasi relay, diatur sebesar selamalamanya adalah 990 detik. Lalu untuk pengaturan waktu reset tipikalnya adalah seelama 240 detik Relay Directional Power (32) Relay 32 ini adalah relay yang bekerja khusus untuk mendeteksi kegagalan dengan cara mendeteksi arah daya pada generator. Relay mendapatkan nilai dan arah daya dari CT dan besar nilai dan arah tegangan dari PT, lalu relay akan mengoperasikan sinyal ketika nilai, dan atau arah daya tidak sesuai dengan seharusnya. Relay 32 ini berguna untuk mengatasi keadaan generator ketika motoring. Motoring adalah jenis kondisi abnormal dimana fungsi dari generator berubah menjadi motor. Kondisi ini dapat terjadi ketika sumber energi prime-mover dimatikan ketika generator dalam kondisi online. Untuk kasus pada generator sinkron, hal ini dapat terjadi ketika sumber energi dari prime mover menghilang, tetapi rotor masih memasok medan dan stator masih terhubung dengan sistem. Kondisi motoring ini sebenarnya dapat tidak merusak generator. Proteksi motoring ini ditujukan untuk perlindungan terhadap prime mover. Dalam kondisi motoring, prime mover yang masih porosnya masih tersambung dengan generator (yang telah berubah fungsi jadi motor) 18

40 dapat rusak karena pengoperasian yang tidak sesuai bahkan ada kemungkinan kondisi motoring membuat prime mover berputar melebihi kecepatan rating. Tabel 2-4 Kemampuan Motoring Generator Berdasarkan Tipe Prime Mover [8] Tipe prime mover Kemampuan motoring dari persentasi rating (%) Turbin Gas Single Shaft 100 Double Shaft Mesin Diesel Four Cycle 15 Mesin Diesel Two Cycle 25 Turbin Hidrolik Turbin Uap (Konvensional) 1-4 Turbin Uap (Condensed Cooled) Pada relay directional power selalu dilengkapi dengan elemen time delay. Untuk time delay yang digunakan sebagai setting, biasanya dikoordinasikan dengan kemampuan motoring dari prime-mover. Biasanya di set dengan delay sebesar 30 detik untuk turbin uap, dan delay 60 detik untuk prime mover lainnya. Untuk penggunaan relay directional power sebagai perlindungan dari kondisi motoring, perintah trip relay harus diberikan ke breaker dari rangkaian medan dan breaker dari generator itu sendiri. Karena pada kondisi motoring masih terdapat medan pada rotor, generator akan tetap pada kecepatan sinkron dan berubah menjadi motor sinkron. Lalu, ketika hanya memberikan perintah trip ke belitan medan saja tanpa memberikan perintah trip ke main breaker dari generator, generator akan tetap melakukan motoring, dan berubah dari generator menjadi motor induksi Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restrained (51V) Relay 51V merupakan relay arus lebih yang bekerja dengan bantuan relay tegangan. Hampir sama dengan relay 51, namun memiliki perbedaan dengan cara kerjanya. Relay 51V didesain untuk bekerja dalam 19

41 kondisi tegangan tertentu. Relay 51V terdapat dua jenis operasi, yaitu voltage restrained (51VR), dan Voltage Control (51VC). Dalam mode voltage control relay arus lebih akan mulai mengawasi nilai arus ketika relay men-sensing tegangan dibawah dari nilai pickup tegangan dari 51VC. Untuk mode voltage restrained, nilai pickup dari relay arus lebih akan berubah-ubah secara linear dengan perubahan dari nilai tegangan. Nilai yang di-set untuk pickup arus ditujukan untuk kondisi tegangan nominal. Ketika tegangan turun menjadi 25% dari nominal, besar nilai pickup arus juga akan turun sebesar 25% dari nilai arus yang di-set. Pada proteksi generator, relay 51V berfungsi sebagai proteksi backup untuk mengatasi gangguan yang belum dapat diisolir pada sistem. Relay berfungsi untuk mendeteksi gangguan eksternal dari generator yang disebabkan oleh gagal bekerjanya sistem proteksi pada sistem. Relay 51V didesain untuk mendeteksi arus hubung singkat yang belum teratasi. Relay arus lebih biasa tidak bisa mengatasi gangguan tersebut karena pada kasus gangguan hubung singkat yang terjadi pada sistem nilai arus hubung singkat akan berada dibawah dari nilai arus full-load generator. Hal tersebut terjadi dikarenakan ketika melewati masa transien dan relay gagal mengatasi masalah di masa transien tersebut, nilai arus hubung singkat akan menurun karena impedansi dari generator akan meningkat dari impedansi sub transien, transien, hingga sinkron. Sehingga relay arus lebih biasa tidak dapat diandalkan untuk mengatasi masalah seperti ini. Relay 51V merupakan relay arus lebih dengan tambahan pengawasan dari relay tegangan. Sehingga relay 51V dapat mengatasi gangguan dengan cara memerintahkan sinyal trip ketika tegangan pada zona generator sudah turun dibawah dari nilai tertentu dan nilai arus sudah melewati nilai tertentu. Sehingga dapat mengatasi kondisi gangguan yang sudah berlangsung lama dimana tegangan akan tetap dalam nilai yang rendah, dan arus gangguan juga akan berangsur menurun. Relay arus lebih yang digunakan pada relay 51V ditujukan untuk bekerja dalam kondisi ketika generator berada dalam kondisi undervoltage. Dalam keadaan terburuk, dimana generator beroperasi 20

42 dibawah tegangan nominal dan dalam kondisi overload, relay overcurrent biasa tidak akan bisa mendeteksi gangguan ini. Karena ketika gangguan tidak terdeteksi secara dini, besar arus hubung singkat yang mengalir akan berada dibawah nilai arus rating normal generator. Hal tersebut terjadi dikarenakan ketika melewati masa transien dan relay gagal mengatasi masalah, nilai arus hubung singkat akan didapat dengan reaktansi sinkron dari generator. Keadaan semacam ini kemungkinan kecil terjadi, sehingga relay 51V dapat dikatakan sebagai relay untuk proteksi cadangan. Karena relay hanya bekerja ketika dibawah tegangan tertentu. Proteksi menggunakan relay ini bertujuan untuk mengatasi keadaan gangguan dimana terjadi hubung singkat tiga fasa yang sudah berlangsung lama, dan sudah berada pada kondisi steady state. Ketika sistem sudah dalam keadaan steady state dalam kondisi hubung singkat tiga fasa, Arus yang mengalir pada terminal generator akan rendah. Arus yang mengalir pada generator akan berada pada dibawah dari tingkat full load dari generator. Namun, hubung singkat yang terjadi akan mengakibatkan turunnya tegagan secara drastis. Untuk Relay 51V terdapat beberapa parameter setting. Pertama hampir sama dengan relay overcurrent lainnya, yaitu pickup, nilai arus yang diatur sebagai arus gangguan. Relay akan menganggap adanya gangguan, ketika arus melebihi arus yang telah diatur. Setting kedua adalah characteristic curve, ini merupakan pengaturan kurva jeda waktu yang digunakan untuk menentukan waktu relay mengoperasikan sinyal setelah mendapatkan nilai arus melebihi pickup. Ketiga adalah timedial, parameter ini merupakan koefisien tambahan yang mengatur jeda waktu hingga beroperasinya sinyal selain dari urva karakteristik. Yang ketiga adalah pemilihan relay menggunakan mode voltage restraint, atau mode Voltage control. Ketika mode voltage control dipilih, terdapat parameter tambahan untuk menentukan tegangan. Parameter tersebut berfungsi sebagai pengaktif dari fungsi relay overcurrent. Ketika nilai tegangan dibawah nilai yang telah di-set, relay overcurrent mulai aktif mengawasi nilai arus dan akan mulai mengoperasikan sinyal setelah nilai arus diatas pickup dan 21

43 melewati jeda waktu yang terhitung berdasarkan setting dari time dial dan kurva karakteristik waktu. Untuk mode voltage restraint, nilai pickup akan selalu berubah linear dengan perubahan nilai tegangan pada generator. Untuk skema proteksi menggunakan relay 51V akan terdapat dua jenis, yaitu menggunakan mode voltage controlled, atau voltage restrained. Apabila mode voltage controlled yang dipilih nilai pickup arus di-set sebesar 50% dari besar nilai arus full-load dari generator. Lalu nilai pickup tegangan pada 75% dari nilai tegangan nominal dari generator. Apabila mode voltage restrain yang dipilih, besar nilali pickup arus di-set sebesar 150% dari arus full-load dari generator. Selain pengaturan pickup, terdapat pula pengaturan time dial dan kurva waktu. Namun untuk pengaturan dua ini harus dikoordinasikan dengan kurva waktu dari relay yang dipasang pada peralatan lainnya, sehingga tidak terjadi mis-koordinasi. 22

44 BAB 3 DATA GENERATOR DAN SISTEM 3.1 Generator 1.5 MVA (MVA G)), 11 kv (line to line), 6350kV (line to ground), 78,7 A, 0.8 pf, 3-phase, 50Hz, 1500RPM Generator Sinkron dengan rotor silinder, dengan prime mover mesin diesel Reaktansi Sinkron direct axis (Xd) = 1,5912 p.u. / 128,3604 Ω Reaktansi jenuh transien direct axis (X d) = 0,1574 p.u. / 12,7008 Ω Reaktansi jenuh sub-transien (X d) = 0,1429 p.u. / 11,5248 Ω Reaktansi urutan negatif (X2) = p.u / 10,9364 Ω Reaktansi urutan nol (X0) = p.u / 1,4112 Ω Neutral Grounding Resistor membatasi maksimum 100 Ampere Generator dioperasikan dalam mode operasi Swing 3.2 Sistem Generator 2x1.5 MVA yang akan diproteksi dipasang pada sistem 11kV. Generator dihubung kan pada bus 11kV-Bus-3 melalui transformator seperti yang terdapat pada gambar 3.1 dan untuk Single Line Diagram lengkap terdapat pada lampiran Spesifikasi Fungsi Proteksi Relay Relay yang akan digunakan untuk penerapan hasil perhitungan setting adalah relay Beckwith Electric M-3425A dengan spesifikasi per fungsi proteksi sebagai berikut Relay Proteksi Belitan Medan (64F) Relay proteksi belitan medan pada relay M-3425A menggunakan injeksi sinyal kotak AC 5V. Relay akan mendeteksi nilai resistansi diantara belitan medan dan bodi generator. Pada kutub positif dan negatif dari medan generator akan dihubungkan dengan injektor sinyal kotak dan 23

45 relay akan mendapatkan nilai dari injektor tersebut. Relay akan mendeteksi gangguan ketika nilai resistansi yang terbaca dibawah dari nilai pickup GEG- RENT-1 GEG- RENT-2 CTG-1 STG-1 STG-2 CTG-2 CTG-3 GEG- RENT-3 DEG-3 11kV BUS-3 11kV BUS-1 11kV BUS-2 #1 #2 #3 X2-3 X1-3 1APD-XF-1 1APD-XF-2 1APC-XF-1 1APC-XF-2 1APF-XF-2 1APD-MCC kv Xa Xb 0.4 kv 1APC-SUS kv Bus-Boiler 60TPH CAP2 030-SG-001 CAP1 #PTS 11/6 kv 11 kv Gambar 3.1 Posisi Generator pada Sistem Tabel 3-1 Detil setting fungsi 64F Fungsi Setpoint Increment Akurasi Pickup #1, # KΩ 1 KΩ ±10% atau ±1KΩ Time Delay* Cycle 1 Cycle ±(2/IF + 1) Detik Frekuensi Injeksi (IF) 0,1-1,00 Hz 0,01 Hz Relay Arus Differensial (87) Pada relay yang digunakan untuk memroteksi generator, relay arus differensial yang digunakan dalam bentuk variable slope differential. Relay yang berhubungan dengan fungsi 87 terhubung dengan CT akan mendeteksi arus diferensial dan arus restrain. Relay akan mendeteksi sebagai gangguan ketika perbandingan arus differensial dan arus restrain lebih besar dari slope setting 24

46 Tabel 3-2 Detil setting fungsi 87 Fungsi Setpoint Increment Akurasi Pickup #1, #2 0,20A - 3,00A 0,01A ±0,1A atau ±5% (0,04A - 0,60A) (±0,02A atau ±5%) Slope 1 100% 1% ±2% Time Delay* Cycle 1 Cycle ±1Cycle atau ±1% Koefisien Koreksi CT** 0,50-2,00 0, Cycle atau ±1% *Ketika delay 1 cycle dipilih, waktu respon relay diantara ½ hingga 1 cycle **Koefisien koreksi CT dikali dengan I A,I B, dan I C Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) Relay arus lebih dengan jeda waktu yang tersedia pada relay memiliki banyak pilihan kurva waktu. Fungsi 51N berguna untuk mendeteksi arus hubung singkat ke tanah ada stator generator. Relay akan membaca nilai arus yang terbaca dari CT yang terpasang pada netral dari generator. Relay akan mendeteksi sebagai arus gangguan ketika arus yang mengalir diatas dari nilai pickup. Tabel 3-3 Detil setting fungsi 51N Fungsi Setpoint Increment Akurasi 0,25 12,00 A 0,01 A ±0,1 A atau ± 1% Pickup (0,05 2,40) * A (±0,02 A atau ±1%) * Definite Time/ Inverse/Very Inverse/Extremely Kurva Karakteristik Inverse (Kurva IEC) Moderately Inverse/Very Inverse/Extremely Inverse (Kurva IEEE) 25

47 Fungsi Setpoint Increment Akurasi 0,5 11,0 0,1 ±3 Cycle atau ±3% ** Time Dial 0,05 1,10 0,01 (Kurva IEC) 0,5 15,0 0,01 (Kurva IEEE) * Nilai digunakan untuk setting sekunder CT sebesar 1A ** Akurasi timing untuk kurva IEC adalah ±5% Ketika frekuensi <(f nom-5)hz jeda waktu ditambahkan sebesar (1,5f - 0,33) detik ke akurasi waktu Relay Loss of Field (40) Relay Loss of Field pada relay yang digunakan merupakan dua elemen relay mho dengan offset. Relay akan mendeteksi impedansi pada generator dengan cara mengalkulasi nilai arus dan tegangan dari CT dan VT yang terpasang untuk pengukuran. Relay akan mendeteksi sebagai gangguan ketika nilai yang dihitung oleh relay masuk kedalam zona setting. Tabel 3-4 Detil setting fungsi 40 Fungsi Setpoint Increment Akurasi 0,1 100,0 Ω 0,1 Ω ±0,1 Ω atau ±5% Diameter mho #1,#2 (0,5 500,0 Ω) (±0,5 Ω atau ±5%) Offset #1, #2-50,0 50,0 Ω 0,1 Ω ±0,1 Ω atau ±5% ±0,5 Ω atau ±5% Time #1, #2 Time dengan kontrol tegangan Delay Delay Cycle 1 Cycle ±1 Cycle atau ±1% Cycle 1 Cycle ±1 Cycle atau ±1% 26

48 Fungsi Setpoint Increment Akurasi Kontrol V 1 V ±0,5V atau ±0,5% Tegangan (urutan positif) Directional Element 0 o 20 o 1 o - Time Delay dengan kontrol tegangan untuk setiap zona mho dapat diaktifkan secara terpisah Relay Arus Lebih Urutan Negatif (46) Relay arus lebih urutan negatif merupakan relay arus lebih yang mendeteksi gangguan hanya ketika terdapat arus urutan negatif pada generator. Relay mendeteksi adanya gangguan ketika nilai arus urutan negatif yang didapat dari sisi terminal generator lebih tinggi dibandingkan nilai arus pickup setting. Tabel 3-5 Detil setting fungsi 46 Fungsi Setpoint Increment Akurasi Waktu Definit Pickup* 3 100% 1% ±0,5% dari 5A (±0,5% untuk 1A) Time Delay Cycle 1 ±1 Cycle atau ±1% Cycle Inverse Time Pickup* 3 100% 1% ±0,5% dari 5A (±0,5% untuk 1A) Time Dial ±3 Cycle atau ±3% Setting (K=I2 2 t) Waktu Definit Maksimum Trip Waktu Definit Minimum Cycle 1Cycle ±1 Cycle atau ±1% 12 Cycle - Tidak dapat dirubah 27

49 Fungsi Setpoint Increment Akurasi Waktu Reset (linear) Detik (Dari batas trip) 1 Detik - *Nilai Pickup berdasarkan persenan arus nominal generator Relay Directional Power (32) Relay directional power berfungsi untuk mendeteksi arah daya yang mengalir pada terminal generator. Dari arah daya yang dibaca dari nilai arus dari CT dan tegangan dari VT ditentukan arah daya. Relay di-set untuk mendeteksi gangguan berupa kondisi abnormal motoring. Sehingga relay akan bekerja ketika arah daya yang mengalir berubah. Awalnya keluar dari generator menjadi masuk ke generator. Tabel 3-6 Detil setting fungsi 32 Fungsi Setpoint Increment Akurasi Pickup -3, ,000 0,001 PU ±0,002 PU atau #1,#2,#3 PU ±2% Time Delay Cycle 1 Cycle ±16 Cycle atau ±1% #1, #2, #3 Batas nilai minimum pickup adalah -0,002 dan +0,002 *Nilai pickup berdasarkan nilai tegangan nominal dari VT, dan nilai arus nominal pada CT. Fungsi dari relay ini dapat dipilih dalam kondisi overpower atau underpower untuk kedua kondisi pickup, negatif ketika arah tenaga ke generator, dan positif apabila arah daya dari generator). **Elemen #3 Dapat diatur nilai pickup berupa daya aktif atau daya reaktif Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restrained (51V) Fungsi 51V berfungsi untuk mendeteksi adanya arus lebih yang mengalir pada terminal generator. Arus yang dibaca oleh relay didapatkan dari nilai CT. Relay berfungsi untuk skema proteksi hubung singkat cadangan pada sistem. Karena letak relay berada pada sisi hilir pada aliran daya, relay 51V dilengkapi dengan relay tegangan untuk mendeteksi nilai tegangan pada generator. Relay akan bekerja ketika arus yang mengalir 28

50 melebihi nilai pickup dan nilai tegangan pada generator dibawah nilai tertentu sesuai dengan mode operasi relay 51V yang digunakan. Tabel 3-7 Detil setting fungsi 51V Fungsi Setpoint Increment Akurasi Pickup 0,50 12,00 A 0,01 A ±0,1 A atau ±1% Definite Time/ Inverse/Very Inverse/Extremely Kurva Karakteristik Inverse (Kurva IEC) Moderately Inverse/Very Inverse/Extremely Inverse (Kurva IEEE) Time Dial ±3 Cycle atau 0,5 11,0 0,1 ±3% 0,05 1,10 0,01 ±5% Voltage Control (VC) Atau Voltage Restraint (VR) (Kurva IEC) 0,5 15,0 (Kurva IEEE) 0, V 1 V ±0,5V atau ±0,5% Linear

51 Halaman ini sengaja dikosongkan 30

52 BAB 4 PERHITUNGAN SETTING RELAY Perhitungan yang dilakukan oleh generator merupakan perhitungan yang dilakukan untuk diterapkan pada generator yang sudah dijelaskan padabab sebelumnya. Perhitungan setting relay akan mencakup proteksi untuk unit generator. 4.1 Relay Proteksi Belitan Medan (64F) Pengoperasian generator yang akan diproteksi begantung dengan adanya eksitasi medan yang ada pada rotor. Ketika pada belitan medan terdapat hubung singkat ke tanah, nilai eksitasi yang dihasilkan akan mengalami pengurangan, dan selain itu dapat juga menyebabkan medan eksitasi yang tidak merata. Ketika medan eksitasi tidak merata, generator akan mengalami getaran dan merusak mesin. Skema proteksi untuk belitan medan yang disediakan oleh relay menggunakan injeksi sinyal kotak AC ke rangkaian medan. Relay akan mengirimkan injeksi sinyal kotak AC dengan frekuensi rendah bersamaan pada kutub positif belitan medan. Lalu pada kutub negatif dari belitan medan dan juga dengan ground dari badan mesin dihubungkan pada sensor pada relay. Relay akan mengkalkulasi besarnya arus yang bocor dari belitan medan ke badan generator. Relay 64F terdapat tiga nilai untuk diatur. Frekuensi injeksi, nilai resistansi pickup, dan waktu delay. Frekuensi injeksi merupakan frekuensi sinyal kotak AC yang diinjeksikan. Besar nilai frekuensi injeksi yang akan di-set diatur pada standar IEEE. Besar nilai frekuensi injeksi berkisar antara 0.1Hz hingga 1Hz. Selain itu, besar nilai untuk setting pickup dan delay juga sudah diatur pada standar [1] [14]. Sesuai dengan standar yang telah dipublikasikan setting untuk pickup resistansi dan jeda waktu pertama sebesar 20KΩ dengan besar delay 600 cycle, dan relay mengaktifkan fungsi alarm. Lalu untuk pengaturan kedua, proteksi saat kritis, setting pickup, dan delay kedua di-set sebesar 5KΩ untuk pickup, dan 300 cycle untuk pengaturan delay waktunya. 31

53 Sehingga setting untuk pengaturan relay untuk proteksi hubung singkat tanah pada rotor generator adalah Elemen #1 Pickup Slope : 20K Ω : 600 cycles Elemen #2 Pickup Slope : 5K Ω : 300 cycles 4.2 Relay Arus Diferensial Fasa (87) Relay differensial dengan variable slope (87) utamanya digunakan untuk proteksi gangguan fasa untuk internal stator. Nilai pickup dan nilai slope yang digunakan harus diatur sesensitif mungkin untuk mendeteksi gangguan. Relay diferensial akan mendeteksi gangguan ketika besar arus yang masuk dan keluar dari CT yang diawasi tidak seimbang. Relay 87 untuk proteksi gangguan fasa dari generator diatur untuk bekerja hanya untuk kondisi hubung singkat internal generator saja, dan tidak bekerja ketika terdapat gangguan diluar dari generator. Untuk memenuhi keutuhan tersebut terlebih dahulu diperlukan nilai besar arus dalam kondisi full load, arus hubung singkat ketika terjadi didalam generator, dan arus hubung singkat diluar generator. Dalam kondisi ideal, dimana tidak terdapat hubung singkat didalam zona proteksi dari relay 87, arus differensial pada relay besarnya adalah nol. Namun karena terdapat adanya ketidak akuratan pada relay, besar arus diferensial tidak nol. Sehingga dalam perhitungan diasumsikan pada deviasi error terbesar. Pada CT yang dekat dengan terminal dari generator diasumsikan dengan error 32

54 positif. Pada CT yang dekat dengan netral dari generator diasumsikan dengan error negatif. CT yang digunakan untuk proteksi dari generator adalah relay 250/5 dengan spesifikasi standar dari IEC dengan rating 10P5. Dimana rating 5P15 berarti CT merupakan CT untuk proteksi dan memiliki akurasi 5% dan memiliki kemampuan sampai dengan 15 kali dari rating. Dalam kondisi normal (tidak terdapat hubung singkat) dan generator dalam keadaan full-load arus yang mengalir pada generator terdapat pada gambar 4.1. Nilai arus yang terdapat pada gambar masih dalam nilai primer dari CT. Besar nilai arus pada sekunder CT untuk kedua CT adalah I 1p I 1s = x(100 ± error)% Rasio CT = 78.7 x( )% 50 = x105% = 1.574x105% = A I 2p I 2s = x(100 ± error)% Rasio CT = 78.7 x(100 5)% 50 = x95% = 1.574x95% = A Dimana I 1p, I 1s, I 2p, I 2s secara berurutan adalah nilai arus pada primer CT1, sekunder CT1, primer CT2, sekunder CT

55 Setelah mendapatkan nilai arus pada sekunder CT, dapat dicari selanjutnya besar nilai arus diferensial (I diff), arus restrain (I restrain), dan slope dalam kondisi normal. Nilai-nilai tersebut didapatkan dengan cara berikut I diff = I 2s I 1s = = = 0.157A I restrain = I 2s+I 1s = 2 = = A Slope = I diff x100% I restrain = x100% = 0.099x100% = 9,9% Dilakukan pula perhitungan yang sama untuk semua kondisi gangguan yang disebutkan sebelumnya. Dilakukan perhitungan yang untuk kondisi gangguan external baik hubung singkat 3 fasa ataupun 2 fasa. Selain itu dihitung pula saat hubung singkat 3 fasa dan 2 fasa pada internal generator. Nilai arus pada kondisi-kondisi tersebut terdapat pada gambar 4.2 dan gambar

56 Gambar 4.1 Nilai saat full load Menggunakan cara perhitungan yang sama, besar nilai arus diferensial (I diff), arus restrain (I restrain), dan slope dalam kondisi gangguan eksternal berupa hubung singkat 3 fasa adalah I diff = A I restrain = A Slope = 10% 4.6 Lalu untuk gangguan hubung singkat 2 fasanya adalah I diff = 1.04 A I restrain = 10.4 A Slope = 10%

57 (a) (b) (a) Arus hubung singkat 3 fasa (b) Arus hubung singkat 2 fasa Gambar 4.2 Arus saat hubung singkat eksternal. Saat gangguan hubung singkat internal dihitung juga dengan cara yang sama, sehingga ketiga nilai tersebut untu hubung singkat tiga fasa adalah I diff = A I restrain = A Slope = 337 %

58 Lalu untuk gangguan hubung singkat 2 fasanya adalah I diff = A I restrain = A Slope = 312 % 4.9 (a) (b) (c) Arus hubung singkat 3 fasa (d) Arus hubung singkat 2 fasa Gambar 4.3 Arus saat hubung singkat internal Hasil perhitungan-perhitungan tersebut dibutuhkan untuk menentukan setting yang akan diterapkan pada relay 87 untuk mendeteksi gangguan fasa pada internal generator. Dari hasil perhitungan-perhitungan tersebut dijadikan satu dalam satu tabel dalam tabel

59 Tabel 4-1 Hasil perhitungan semua kondisi hubung singkat Parameter Normal External Fault Internal Fault 3-phase 2-phase 3-phase 2-phase I diff (A) I restrain (A) Slope 9.9% 10% 10% 337% 312% Relay 87 variable slope bekerja ketika besar I diff yang terdapat pada relay melebihi dari nilai pickup arus dari relay. Selain itu, nilai slope berada diatas dari nilai slope setting relay. Pada relay yang digunakan untuk mendeteksi gangguan pada generator untuk fungsi 87 terdapat empat parameter setting yang harus diatur. Pertama adalah arus pickup, dimana arus pickup adalah nilai batas I diff yang dianggap sebagai arus gangguan. Ketika I diff berada diatas nilai arus pickup relay akan mendeteksi gangguan. Namun ketika I diff sudah melebihi dari nilai pickup relay tidak langsung bekerja, karena mendeteksi parameter setting kedua yaitu slope. Definisi dari slope sama seperti dengan perhitungan, yaitu besar nilai perbandingan antara I diff dan I restrain dalam persen. Ketika besar slope yang mengalir pada relay berada diatas dari nilai setting slope, relay akan mendeteksi sebagai gangguan. Parameter setting ketiga adalah time delay, setelah relay mendeteksi adanya gangguan dari nilai arus yang mengalir ke relay dilihat dari besar nilai I diff dan nilai slopenya, relay akan bekerja setelah waktu yang di-set pada time delay. Pada relay 87 yang digunakan, terdapat setting ke-empat yaitu CT Correction. Dimana setting ini berfungsi untuk mengoreksi nilai arus yang mengalir dari kedua CT ketika terdapat perbedaan rasio CT ataupun perbedaan nilai arus ketika kondisi normal. Relay 87 di-set untuk bekerja ketika terdapat gangguan hubung singkat fasa pada stator generator. Relay di-set dengan cara mengatur arus pickup diatas dari nilai I diff maksimal diantara kondisi normal dan gangguan external tetapi masih dibawah dari nilai I diff saat gangguan internal. Untuk nilai setting slope dari relay dipilih nilai yang lebih rendah dari slope internal fault dan lebih tinggi dari nilai maksimal diantara normal dan external fault. 38

60 Sehingga untuk pickup arus dipilih sebesar 2A, dimana lebih tinggi dari nilai I diff untuk hubung singkat tiga fasa gangguan eksternal (1.406 A), tetapi masih lebih rendah dari kondisi gangguan internal terkecil (Hubung singkat dua fasa, A). Lalu untuk nilai slope yang diterapkan pada relay sebesar 20%, dimana lebih tinggi dari nilai slope dari semua nilai slope saat kondisi normal dan gangguan external (10%), dan lebih rendah dari slope saat hubung singkat fasa internal terkecil (Hubung singkat dua fasa, 312%). Nilai time delay yang diterapkan pada relay untuk proteksi gangguan fasa generator tertulis pada standar yang di-publish oleh IEEE nilainya diatur untuk mendekati instan, atau mendekati nol. Dari spesifikasi relay yang digunakan, paling cepat relay bereaksi adalah 1 cycle, sehingga nilai tersebut dipilih. Setting selanjutnya merupakan CT Correction, namun dikarenakan tidak adanya perbedaan rasio CT ataupun perbedaan nilai arus normal pada kedua CT, sehingga untuk nilai setting ini adalah 1 (tidak ada koreksi nilai arus). Jadi setting untuk pengaturan relay untuk proteksi hubung singkat fasa pada stator generator adalah Pickup : 2 A Slope : 20% Time Delay : 1 Cycle CT Correction : Relay Arus Netral dengan Jeda Waktu Inverse (51N) Relay 51N bekerja dengan mendeteksi besar arus yang mengalir pada kawat netral dari generator. Relay akan mendeteksi arus sebagai gangguan ketika besar arus yang mengalir diatas batas arus pickup selama waktu yang diatur. Ketika terjadi gangguan satu fasa ke tanah, akan ada arus yang melewati kawat netral dari generator. Besarnya arus gangguan tersebut akan dipengaruhi juga dari bagaimana generator tersebut 39

61 ditanahkan. Kawat netral dari generator yang ditanahkan dipasang NGR (Neutral Grounding Resistor) untuk membatasi besar arus yang mengalir pada kawat netral. NGR yang dipasang pada kawat netral membatasi arus yang melewati kawat tanah. NGR yang dipasang pada generator yang diproteksi berfungsi untuk membatasi arus pada kawat netral sebesarbesarnya adalah 100A. Sehingga pada saat terjadi gangguan hubung singkat ke tanah arus paling besar yang akan mengalir adalah sebesar 100A. Untuk mendeteksi adanya gangguan hubung singkat ke tanah pada generator, rangkaian harus terlebih dahulu dipasang CT yang dapat memfilter arus urutan nol pada stator. CT yang digunakan adalah ZCT. Dikarenakan resistor netral yang digunakan adalah resistor untuk membatasi arus hubung singkat tanah sebesar-besarnya adalah 100A, maka rasio CT dipilih 50/5. Ketika terjadi hubung singkat fasa ke tanah terbesar (hubung singkat satu fasa ke tanah) arus yang mengalir pada sekunder CT adalah sebesar I hs sekunder = I hs primer Rasio CT = = 10A Setelah mendapatkan nilai arus hubung singkat maksimum fasa ke tanah yang mengalir pada sekunder CT, dapat ditentukan nilai setting relay untuk mendeteksi adanya gangguan hubung singkat fasa ke tanah. Relay yang digunakan adalah relay inverse-time overcurrent. Relay memiliki tiga parameter setting. Pertama yaitu pickup, dimana relay akan mendeteksi gangguan ketika besar arus yang mengalir ke relay lebih besar dari nilai setting yang diterapkan pada parameter ini.

62 Yang kedua dan ketiga adalah curve, dan Time Dial, kedua parameter ini mengatur jeda waktu dari dideteksinya arus gangguan hingga relay bekerja. Setiap jenis kurva memiliki karakteristik tersendiri untuk menentukan jeda waktu. Nilai setting dari pickup dari relay 51N di-set diantara 10% hingga 40% dari arus maksimum hubung singkat ke tanah pada stator. Dipilih nilai setting sebesar 10% untuk proteksi yang lebih sensitif. Sehingga 10% nilai arus hubung singkat maksimal pada sekunder CT adalah sebesar I setting = 10% x I hs sekunder = 15% x 10 A = 1.5 A 4.11 Jadi setting untuk pengaturan relay untuk proteksi gangguan tanah pada stator adalah Pickup Curve : 1.5 A : IEEE Extremely Inverse Time Dial :

63 Gambar 4.4 Hasil Setting Fungsi 51N 42

64 4.4 Relay Loss Of Field (40) Relay Loss of Field berfungsi untuk mendeteksi adanya gangguan hilangnya fluks medan yang dihasilkan oleh rotor. Hilangnya fluks medan dapat disebabkan oleh banyak hal, dapat disebabkan oleh hilangnya sumber eksitasi, atau adanya tripping pada rangkaian medan, atau open circuit pada rangkaian medan. Apapun penyebab hilangnya medan dapat berpengaruh pada kondisi operasi generator dan sistem. Pada generator yang mulanya bekerja pada kondisi full load saat kehilangan medan, generator akan beralih fungsi menjadi generator induksi. Generator tetap bisa menghasilkan tenaga untuk sistem, namun untuk eksitasinya menyerap dari sistem dalam bentuk VAR. Selain itu kerusakan untuk generator dapat terjadi karena operasi tanpa adanya medan. Ketika generator terlepas dari sinkronisasi dan berputar lebih cepat dari kecepatan sinkron generator, arus pada stator akan meningkat dan dapat menyebabkan kerusakan yang disebabkan oleh overheating. Skema proteksi yang digunakan untuk memproteksi generator ketika terjadi kondisi hilangnya medan dari rotor adalah menggunakan skema dua relay mho dengan offset negatif[1]. Ketika kondisi sistem memasuki zona mho yang sudah diset, relay akan mengirimkan perintah trip setelah time delay. Nilai yang arus dan tegangan yang masuk ke relay adalah nilai sekunder dari CT dan VT, sehingga impedansi yang dibutuhkan dari generator harus diubah ke dalam basis sekunder dari CT dan VT terlebih dahulu. CT yang digunakan memiliki rasio yang sama seperti relay 87 yaitu CT dengan rasio 250/5. Lalu VT yang digunakan adalah VT dengan rasio perubahan sebesar 11000/ Zona 1 Setting dari zona mho pertama berdiameter 1 p.u, dan jarak dari ujung lingkaran mho bagian atas dengan titik nol adalah sebesar setengah dari reaktansi transien dari generator. Proteksi zona 1 43

65 berfungsi untuk mendeteksi loss of field dari full load hingga 30% load[2]. Diameter dari zona 1 besarnya adalah 1PU dari Z base. Namun nilai yang dibutuhkan untuk diterapkan pada relay harus dalam satuan ohm. Sehingga dibutuhkan terlebih dahulu perhitungan untuk mendapatkan nilai Z base pada sisi sekunder dari relay pengukuran. Nilai Z base didapatkan dengan perhitungan berikut V LG = 6351 I full load = 78.7 Rasio VT = = 100 Rasio VT = = 50 V LG Z base = Rasio VT I full load Rasio CT 6351 = 100 Ω = Ω 4.12 Lalu didapatkan nilai setting diameter untuk zona pertama adalah Diameter1 = 1 PU x Z base = 1 x Ω = Ω 4.13 Nilai offset (pergeseran dari titik pusat) besarnya adalah setengah dari nilai reaktansi transien generator ditambah dengan radius dari zona 1. Untuk mendapatkan nilai offset terlebih dahulu dicari besar 44

66 reaktansi transien dari generator dalam basis relay, sebagaimana didapat dengan perhitungan X d PU = PU X d Ω = X d PU x Z base = x Ω = Ω Lalu untuk besarnya offset dari zona pertama didapat dengan cara Offset1 = Diameter1 + X d Ω 2 2 = Ω 2 2 = Ω = Ω Setelah mendapatkan nilai setting diameter, dan offset, setting selanjutnya adalah time delay. Jeda waktu yang digunakan adalah 0.1 detik. Untuk perhitungan jeda waktu yang akan diterapkan pada relay harus dalam satuan cycle, sehingga nilai setting jeda waktu dalam jeda waktu dalam cycle adalah TD1 (cycle) = TD1 (s) x f system = 0.1 x 50 cycle = 5 cycle

67 Sehingga setting untuk relay 40 untuk proteksi terhadap loss of field zona 1 adalah Diameter Offset Time Delay : 40.3 Ω : 23.3 Ω : 5 cycle Zona 2 Zona mho kedua berdiameter sebesar reaktansi sinkron generator, dan memiliki nilai offset dengan rumus yang sama seperti zona 1. Proteksi zona 2 berfungsi untuk mendeteksi gangguan dengan cepat untuk kondisi yang lebih parah dilihat dari kerusakan mesin, dan kerugian pada sistem[2]. Diameter dari zona 2 besarnya adalah sama dengan besar reaktansi sinkron generator. Sama seperti Zona 1, nilai yang dibutuhkan untuk diterapkan pada relay harus dalam satuan ohm. Sehingga dibutuhkan terlebih dahulu perhitungan untuk konversi ke dalam nilai Ohm pada relay. Besar nilai reaktansi sinkron generator adalah X d PU = PU X d Ω = X d PU x Z base = x Ω = Ω Lalu didapatkan nilai setting diameter untuk zona pertama adalah Diameter2 = X d Ω = Ω 4.17 Untuk besarnya offset dari zona 2 didapat dengan cara yang sama seperti zona 1 sehingga 46

68 Offset2 = Diameter2 + X d Ω 2 2 = Ω 2 2 = Ω = Ω 4.18 Setting terakhir untuk zona 2 adalah time delay. Jeda waktu yang di-set diantara detik. Nilai yang dipilih untuk jeda waktu adalah 0.5 detik. Untuk perhitungan jeda waktu yang akan diterapkan pada relay harus dalam satuan cycle, sehingga nilai setting jeda waktu dalam jeda waktu dalam cycle adalah TD2 (cycle) = TD2 (s) x f system = 0.5 x 50 cycle = 25 cycle 4.19 Sehingga setting untuk relay 40 untuk proteksi terhadap loss of field zona 2 adalah Diameter Offset Time Delay : 64.2 Ω : 35.3 Ω : 25 cycle 4.5 Relay Arus Urutan Negatif (46) Dalam operasi normal, ketika tiap fasa dari generator dibebani dengan beban yang berbeda, akan terdapat arus urutan negatif yang mengalir pada generator. Selain itu hubung singkat yang tidak simetris juga dapat menyebabkan adanya arus urutan negatif pada generator. 47

69 Gambar 4.5 Hasil Perhitungan Untuk Pengaturan Relay Loss of Field Generator memiliki kemampuan untuk beroperasi secara kontinu hingga nilai arus urutan negatif tertentu. Menyesuaikan dengan spesifikasi dari generator dan tabel yang terdapat pada standar[tabel 2-1], Generator harus dapat beroperasi secara kontinu untuk nilai arus urutan negatif sebesar 10% dari arus nominal. Sehingga apabila dibuat kurva operasi dari generator adalah sebagai berikut 48

70 Selain kemampuan generator untuk beroperasi secara kontinu ketika terdapat arus urutan negatif. Generator juga memiliki short time capabilities. Yaitu kemampuan generator untuk beroperasi untuk waktu terbatas saat terdapat arus urutan negatif. Kemampuan tersebut ditulis sebagai persamaan berikut I 2 2 t = K 4.20 Dimana I 2 merupakan arus urutan negatif dalam satuan p.u, sedangkan t adalah waktu maksimum yang diperbolehkan, dan K adalah konstanta short time capabilities dari generator. Besar konstanta kapabilitas akan berbeda untuk tiap jenis generator. Sesuai dengan spesifikasi dari generator yang akan dilindungi, nilai konstanta kapabilitas generator adalah 30. Lalu, apabila dibuat kurva operasi berdasarkan konstanta tersebut, akan membentuk kurva seperti gambar 4.6 Setelah mendapatkan kurva dalam kondisi kontinu dan dalam waktu terbatas, kurva operasi tersebut bisa digabung untuk mendapatkan kurva operasi dari generator untuk kondisi generator terdapat arus urutan negatif. Kurva tersebut dapat dilihat pada gambar 4.7.Kurva operasi tersebut adalah batas yang direkomendasikan untuk generator. Ketika generator beroperasi diluar kurva tersebut, generator akan mengalami kerusakan seperti yang disampaikan sebelumnya. Skema proteksi menggunakan relay 46, ditujukan untuk mencegah kejadian tersebut. 49

71 Gambar 4.6 Kurva operasi kontinu unbalanced generator Relay 46 diatur parameter setting nya untuk bekerja dibawah atau disekitar kurva tersebut untuk mencegah kerusakan. Pada relay yang dipasang, tersedia kurva waktu inverse. Bentuk kurva waktu inverse pada relay adalah I 22.T=K. Untuk kurva waktu inverse terdapat empat parameter setting. Parameter tersebut adalah arus pickup, besar time dial (dalam K), waktu definit trip maksimum, dan waktu reset. Untuk memenuhi kondisi kurva setting mendekati namun tidak melebihi dari kurva kapabilitas operasi generator. Nilai pickup diatur sesuai dengan batas arus operasi kontinu generator. Lalu besar dari time dial (dalam K) di-set dibawah dari nilai K dari generator. Jika nilai K dari generator adalah sebesar 30, maka dipilih K pada relay adalah sebesar

72 Gambar 4.7 Kurva operasi kontinu dan short time capability unbalanced generator Selain nilai pickup, nilai time dial, terdapat pula waktu definit trip maksimum. Besar dari waktu definit trip maksimum adalah 990 detik. Pengaturan waktu definit trip pada relay dalam satuan cycle sehingga nilai setting dalam detik di konversikan kedalam cycle. Sehingga nilai setting dalam cycle adalah 51

73 Gambar 4.8 Unbalanced generator capability curve T max definite trip(cycle) = T max definite trip(s) x f generator = 990 x 50 = cycle 4.21 Sehingga jika kurva setting dan kurva kapabilitas generator diplot pada satu gambar seperti pada gambar 4.8 Untuk kurva waktu inverse relay 46 setting terakhir adalah reset time. Nilai reset time diatur tipikalnya sebesar 240 detik 52

74 Dari hasil perhitungan yang dilakukan, nilai yang digunakan untuk setting relay 46 dengan kurva waktu inverse adalah sebagai berikut Pickup : 10 % Time dial Setting (K= I 2 2.T) : 25 Definite Maximum Time to Trip Reset Time : Cycles : 240 detik 4.6 Relay Directional Power (32) Dalam pengoperasian generator terdapat pengoperasian abnormal yang bernama motoring. Motoring adalah kejadian saat generator berubah fungsi menjadi motor dikarenakan prime mover dari generator berhenti menghasilkan daya saat generator masih terkoneksi dengan sistem. Perlindungan untuk kejadian motoring fungsi utamanya adalah melindungi prime mover. Setiap prime mover memiliki kemampuan untuk melakukan motoring hingga nilai tertentu. Untuk generator yang akan dilindungi, merupakan generator dengan prime mover berupa mesin diesel. Untuk kejadian motoring pada prime mover yang tenaga putarnya berasal dari mesin bakar akan terdapat bahaya ledakan dari bahan bakar yang belum terbakar. Proteksi untuk mengatasi keadaan motoring ini mengguakan relay directional power. Relay ini bekerja dengan menghitung jumlah, dan arah daya yang mengalir pada terminal generator. Untuk setiap jenis prime mover memiliki kapabilitas untuk motoring yang berbeda-beda. Generator yang diproteksi adalah generator dengan prime mover dari mesin diesel. Generator diesel memiliki kemampuan untuk motoring sebesar 15% dari nominal power dari generator. Sehingga direkomendasikan untuk generator tidak melakukan motoring lebih dari 15% dari nominal generator. 53

75 Pada relay yang digunakan, untuk relay directional power terdapat dua parameter setting yang diatur, yaitu power pickup dan time delay. Nilai pickup yang diatur adalah besar power yang mengalir pada generator dan dapat diatur arah aliran powernya. Nilai pickup diatur dalam satuan PU. Lalu yang kedua adalah time delay adalah jeda waktu diantara relay mendeteksi adanya gangguan hingga relay mengoperasikan sinyal. Pada relay yang digunakan time delay dalam satuan cycle dan definit. OOOO Kurva setting OOOO Kurva kapabilitas generator Gambar 4.9 Kurva setting dan unbalanced generator capability curve 54

76 Karena nilai pickup setting yang akan diterapkan pada relay dalam satuan PU, sehingga tidak diperlukan konversi lagi apapun kedalam satuan relay. Kemampuan maksimal motoring dari primemover adalah sebesar 15% dari nominal dari generator. Sehingga untuk mendapatkan besar pickup power yang diterapkan pada setting adalah sebesar 0.15 PU. Untuk penerapan nilai pickup untuk relay 32, terdapat dua parameter tambahan. Pertama yaitu nilai positif dan negatif. Dimana nilai positif adalah arah daya keluar dari generator, dan negatif adalah arah daya menuju generator. Untuk parameter kedua yaitu overpower dan underpower yaitu dimana menentukan fungsi pickupnya. Relay menentukan sebagai gangguan ketika nilai dan arah daya dibawah atau diatas dari nilai pickup. Untuk penerapan proteksi menggunakan relay directional power adalah untuk mencegah adanya daya yang masuk ke generator sebesar nilai yang telah dihitung. Jadi untuk penerapan pada pickup setting relay 32 ini adalah 0.15 PU dengan fungsi pickup overpower Fungsi setting berikutnya adalah time delay, untuk menentukan waktu relay bekerja dari terdeteksinya gangguan hingga relay bekerja. Besarnya setting jeda waktu diatur berdasarkan masingmasing spesifikasi dari generator. Namun pada spesifikasi generator tidak dicantumkan tentang kapabilitas waktu untuk generator beroperasi dalam kondisi motoring. Sehingga pada sumber yang tertulis, dipilih setting jeda waktu pada 60 detik[]. Namun Time delay pada relay yang digunakan diatur dalam satuan cycle. Sehingga besar nilai setting pada satuan cycle adalah sebagai berikut T setting (cycle) = T setting (detik) x f nominal = 60 x 50 cycle = 3000 cycle

77 Sehingga setting yang diterapkan pada relay untuk proteksi menggunakan relay directional power adalah sebagai berikut Pickup Time Delay : PU (Overpower) : 1500 cycle 4.7 Relay Inverse Time Phase Overcurrent, dengan Voltage Control atau Voltage Restraint (51V) Ketika terjadi hubung singkat pada sistem dan proteksi pada sistem tidak dapat mengatasi gangguan tersebut, proteksi terakhir adalah pada generator. Namun relay arus lebih biasa tidak dapat mendeteksi arus gangguan yang sudah berlangsung lama. Hal tersebut dikarenakan ketika terjadi hubung singkat yang lama, impedansi yang digunakan untuk mendapatkan nilai hubung singkat berubah dari impedansi sub transien ke impedansi sinkron. Dimana impedansi sinkron lebih besar dari sub transien ataupun transien. Apabila impedansi yang digunakan lebih besar, ada kemungkinan besar dari nilai hubung singkat akan dibawah dari arus full-load dari generator. Sehingga relay arus biasa dengan delay yang lama tidak bisa mengatasi masalah tersebut. Dalam kondisi arus hubung singkat tiga fasa dan sudah melewati fase sub transien dan transien. Besar nilai arus hubung singkat yang mengalir dari generator adalah E = V LG sekunder relay = 63.51V X d (PU) = Z base = Ω E I fault steady = X d (PU) x Z base = 1,591 x = Ampere

78 Dimana E adalah tegangan dalam kondisi no-load dari generator, didapatkan bahwa besar arus hubung singkat tiga fasa dalam kondisi steady state berada dibawah dari arus full-load dari generator (arus full load=1.6a). Sehingga relay arus lebih biasa tidak bisa mendeteksi gangguan. Proteksi cadangan untuk sistem yang dilakukan pada sisi generator adalah dengan memasang relay inverse overcurrent yang bekerja pada tegangan tertentu. Relay yang digunakan adalah relay 51V. Relay 51V merupakan relay arus lebih dengan kurva inverse tetapi dengan batasan tegangan tertentu. Dalam operasi relay ini terdapat dua mode operasi yang dapat dipilih, yaitu Voltage Restrained dan Voltage Controlled. Kedua mode tersebut dapat digunakan sebagai proteksi cadangan untuk sistem. Namun untuk proteksi cadangan untuk sistem yang akan diterapkan pada relay dipilih voltage restrained overcurrent untuk proteksi yang lebih peka. Pada mode relay 51V dalam voltage restrained terdapat tiga parameter setting yang diatur, yaitu pickup, janie kurva, dan time dial. Pengaturan setting pickup arus untuk mode voltage restrained dilakukan ketika berada pada tegangan rating. Relay akan mengatur nilai pickup secara otomatis ketika terjadi perubahan tegangan. Perubahan nilai pickup akan berubah secara linear dengan perubahan tegangan. Pada saat tegangan sama dengan nol, nilai pickup akan turun hingga 25% dari nilai setting. Nilai pickup arus ketika tegangan rating adalah sebesar 150% dari arus full-load dari generator, Sehingga I full load = 78.7 A Rasio CT = = 50 57

79 I pickup = 150% x I full load Rasio CT 150% x 78.7A = 50 = 2,361 A 4.24 Dipilih nilai I pickup sebesar 2.4 Ampere Untuk kurva waktu dan time dial yang digunakan untuk pengaturan relay 51V harus dikoordinasikan terlebih dahulu dengan sistem yang dilindunginya, dan tidak terdapat nilai standar untuk kondisi yang umum. Melihat dari setting relay arus lebih yang ada pada sistem pada gambar 4.9, dipilih kurva dan besar time dial sebagai berikut. Jadi untuk proteksi backup sistem untuk kasus hubung singkat yang diterapkan pada relay 51V adalah Pickup : 2,4 Ampere Kurva waktu : IEC Inverse Time dial : 0.57 Mode : Voltage Restrained Dan ketika diplot pada kurva waktu seperti pada gambar

80 Gambar 4.10 Kurva koordinasi relay arus lebih eksisting 59

81 Gambar 4.11 Kurva koordinasi relay dengan setting 51V 60

82 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan pada bab sebelumnya, skema perlindungan yang digunakan untuk melindungi generator berkapasitas 1,5 MVA, dengan prime mover mesin bakar dengan bahan bakar diesel adalah Fungsi Relay Nilai pengaturan Satuan 64F Field Ground Protection Injection Frequency 1 Hz #1 Pickup 20 KΩ Time Delay 600 Cycle #2 Pickup 5 KΩ Time Delay 300 Cycle 87 Variable slope differential Pickup 2 Ampere Slope 20 Persen Time Delay 1 Cycle CT Correction 1 51N Time Inverse Neutral Overcurrent Pickup 1,5 Ampere Curve IEEE Extremely Inverse Time Dial 2,76 40 Loss of Field Zona 1 Diameter 40,3 Ω Offset -23,3 Ω Delay 5 Cycle Zona 2 Diameter 64,2 Ω Offset -35,3 Ω Delay 25 Cycle 61

83 46 Negative Sequence Overcurrent Pickup 10 Persen Time Dial 25 - Max trip delay 990 Cycle Reset time Detik 32 Reverse Power Pickup (Overpower) PU Delay 1500 Cycle 51VR Voltage Restrained Inverse Time Overcurrent Pickup 2,4 Ampere Kurva IEC - Inverse Time Dial 0.57 Mode Restrain 5.2 Saran Perhitungan relay yang dilakukan merupakan proteksi minimal yang direkomendasikan untuk diaplikasikan[2]. Apabila keandalan dari generator diperlukan, perlu ditinjau ulang perhitungan setting relay-nya. Tidak menutup kemungkinan untuk menambah fungsi relay apabila diperlukan 62

84 DAFTAR PUSTAKA [1] IEEE Std C TM, IEEE Guide for AC Generator Protection [2] IEEE Std 242 TM, IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems [3] IEEE Std C57.13 TM, IEEE Standard Requirements for Instrument Transformers [4] IEEE Std C TM, IEEE Standard Inverse-Time Characteristic Equations for Overcurrent Relays [5] IEEE Std C TM, IEEE Guide Generator Ground Protection [6] IEEE Std C TM, IEEE Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes [7] Voltage Restraint Overcurrent Relay and Protection Assemblies, ABB, 2001 [8] GE Power Management, Power Relays Application Guide, GER- 2309, GE [9] GE Power Management, Use of the R-X Diagram in Relay Work, GET-2230b, GE [10] GE Power Management, Generator Protection with a New Static Negative-Sequence Relay, GER-3181, GE [11] IEEE Power System Relay Committee, Coordination of Generator Protection with Generator Excitation Control and Generator Capability, IEEE Power Engineering Society General Meeting, paper No /07, 2007 [12] Protective Relays, Measurement & Control, Network Protection & Automation Guide, ALSTOM, 2011 [13] Gordon R. Slemon, Magnetoelectric Devices: Transducers, Transformers and Machines, John Wiley & Sons Inc., 1966 [14] Wayne Hartmann, Generator Protection: Fundamentals and Application, Beckwith Electric, 2015 [15] A.F Elneweihi, E.O. Schwitzer III, dan M.W. Feltis, Negative- Sequence Overcurrent Elemenr Application and Coordination in Distribution Protection, IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 8, Issue 3, July, 1993 [16] Stephen J. Chapman, Electric Machinery Fundamentals, McGraw-Hill, New York,

85 [17] Joseph Dudor, Protective Relay Applications for Generator and Transformers, IEEE , 1997 [18] Wikipedia, Protective relay, URL:en.wikipedia.org/wiki/Protective_relay, Juli, 2015 [19] Tim Penyusun, Pedoman dan Petunjuk Sistem Proteksi Transmisi dan Gardu Induk Jawa Bali, PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali, 2013 [20] Tim pelatihan Operator Gardu Induk, Peralatan Gardu Induk, PT. PLN (persero) P3B Jawa Bali,

86 LAMPIRAN A A.1 Single Line Diagram Sistem Generator yang di-setting terdapat pada sistem yang digambarkan pada Single Line Diagram seperti berikut 65

87 Halaman ini sengaja dikosongkan 66

88 RIWAYAT HIDUP Fauzi Surya Wicaksono, Dilahirkan pada 27 September 1994 di Jakarta. Dibesarkan dan dididik berbagai kota di Indonesia. Jenjang pendidikan SD ditempuh di SD Budi Luhur Tangerang, Pendidikan Sekolah Menengah Pertama di SMP Islam Al-Azhar 10. Penulis melanjutkan ke SMA Pesantren Unggul Al- Bayan selama tiga tahun sebelum melanjutkan studinya pada Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Selama menempuh jenjang pendidikan tingginya, penulis mengambil konsentrasi pada bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Selama menempuh pendidikannya, beliau pernah melaksanakan kerja praktek di PT. PLN P3B. Pada bulan Juli 2017 penulis mengikuti Ujian Tugas Akhir sebagai salah satu persyaratan untuk memperoeh gelar sarjana Teknik Elektro surya.fauziw@gmail.com 67