BAB II LANDASAN TEORI ANALISA HUBUNG SINGKAT DAN MOTOR STARTING

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI ANALISA HUBUNG SINGKAT DAN MOTOR STARTING 2.1 Jenis Gangguan Hubung Singkat Ada beberapa jenis gangguan hubung singkat dalam sistem tenaga listrik antara lain hubung singkat 3 phasa, 2 phasa, 2 phasa ke tanah, dan satu phasa ke tanah. Dalam tugas akhir ini, analisa hubung singkat yang dilakukan adalah hubung singkat 3 phasa. Walaupun jenis gangguan hubung singkat tiga phasa bukanlah merupakan jenis gangguan yang paling sering terjadi dalam sistem tenaga listrik, namun di dalam analisanya, arus hubung singkat 3 phasa adalah arus hubung singkat terbesar diantara jenis gangguan hubung singkat lainnya, sehingga hal inilah yang menjadi dasar bahwa besar arus hubung singkat hasil analisa ini dapat dijadikan salah satu pertimbangan dalam pemilihan peralatan proteksi yang tepat, sehingga bila gangguan hubung singkat itu benar benar terjadi di dalam sistem, maka peralatan proteksi dapat bekerja mengamankan bagian sistem yang terganggu sesuai yang diharapkan. Tabel 2.1 berikut menunjukkan berbagai jenis gangguan hubung singkat dalam sistem tenaga listrik :

2 Tabel 2.1 Jenis Gangguan Hubung Singkat No Jenis Gangguan Hubung Singkat Gambar Rangkaian Ia Ea 1 3 Phasa Eb Ec Ic Ib Ia Ea 2 2 Phasa Eb Ec Ic Ib Ia Ea 3 2 Phasa ke tanah Eb Ec Ic Ib Ia Ea 4 1 Phasa ke tanah Eb Ec Ic Ib

3 2.2 Kontribusi Arus Hubung Singkat Besar arus hubung singkat bergantung pada besar sumber yang membangkitkan sistem, nilai reaktansi peralatan dan nilai reaktansi sistem keseluruhan sampai ke titik gangguan. Sumber arus hubung singkat dapat berasal dari sistem pembangkit (PLN), generator, motor sinkron dan motor induksi. Synchronous Generator G Utility System Stepdown Transformator Switch Gear Point of Fault Fault M Synchronous Motor M Induction Motor Gambar 2.1 Kontribusi Arus Hubung Singkat 1. Sistem Pembangkit (PLN) PLN memberikan suplai daya pada pelanggan khususnya industri melalui trafo (step down) dari jaringan distribusi tegangan menengah ke tegangan yang dipakai oleh konsumen. Trafo sering sekali dimengerti sebagai sumber hubung singkat, tentu saja hal ini sama sekali tidak benar. Trafo Distribusi hanya mengubah (menaikkan/menurunkan) level tegangan dan besar arus. Arus hubung singkat yang melewati trafo bergantung pada besar tegangan sekundernya dan persen reaktansinya. Sistem pembangkit dalam hal ini PLN juga

4 memberikan informasi tentang kontribusi daya hubung singkat yang memungkinkan dari sistem pembangkit. 2. Generator Generator adalah alat pembangkit energi listrik yang bekerja mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Di dalam sistem listrik industri, selain mendapat suplay daya dari PLN sebagai sistem pembangkit listrik utama, beberapa industri besar juga memiliki suplay daya sendiri dari generator yang dapat berfungsi : Sebagai unit cadangan (emergency) yang dijalankan pada saat keadaan darurat atau saat terjadi pemadaman pada sistem pembangkit utama (PLN). Sebagai unit pembangkit bantuan yang dapat membantu suplay daya listrik dari PLN pada saat beban puncak (peak load). Pada saat terjadi gangguan hubung singkat, generator memberi kontribusi terhadap besar arus hubung singkat yang terjadi seperti yang dapat dilihat pada gambar 2.3 (b). Generator digerakkan oleh penggerak mula (prime mover). Biasanya dalam industri adalah mesin diesel. Ketika hubung singkat terjadi, generator akan terus dikendalikan oleh prime mover dan tetap menghasilkan tegangan selama medan eksitasinya tetap dipertahankan putaran generator pada kecepatan normal. Tegangan yang dihasilkan ini menghasilkan arus yang besar yang mengalir ke titik gangguan. Arus yang mengalir ini hanya dibatasi oleh impedansi generator dan impedansi rangkaian dari generator sampai ke titik gangguan. Reaktansi generator berganti secara transient seiring dengan waktu setelah awal terjadinya gangguan. Adapun jenis nilai reaktansinya adalah sebagai berikut:

5 X d = Reaktansi Sub transient / Sub transient Reactance Adalah nilai reaktansi yang menentukan besar arus hubung singkat sesaat setelah terjadi ganguan. Nilai ini hanya berlangsung selama beberapa cycle setelah gangguan terjadi dan dalam sekitar 0,1 detik meningkat ke nilai berikutnya. X d = Reaktansi Transient / Transient Reactance Berlangsung sekitar 2 detik dan meningkat hingga mencapai nilai reaktansi akhir. Xd = Reaktansi Sinkron / Synchronous Reactance Adalah nilai reaktansi yang menentukan besar arus mengalir setelah kondisi steady state tercapai. Ini tercapai setelah beberapa detik setelah hubung singkat terjadi. 3. Motor Sinkron Motor Sinkron memiliki karakteristik yang hampir sama dengan generator sinkron. Ketika gangguan terjadi, tegangan sistem menurun hingga menjadi sangat kecil, motor sinkron berhenti mencatu daya dari sistem untuk berputar menggerakkan bebannya dan mulai melambat. Tetapi momen inertia dari beban cenderung mencegah motor melambat secara cepat. Inersia ini mengambil peran sebagai prime mover dan dengan eksitasi yang tetap disuplai, menjadikan motor berfungsi sebagai generator yang juga mensuplai arus hubung singkat untuk beberapa cycle setelah hubung singkat terjadi. Sama seperti generator, besarnya arus hubung singkat juga ditentukan oleh nilai reaktansi X d, X d dan Xd Motor Sinkron. Besarnya arus hubung singkat yang

6 dikontribusi oleh motor sinkron juga bergantung pada besar dayanya (HP), rating tegangan serta reaktansi sistem sampai ke titik gangguan. 4. Motor Induksi Motor induksi juga memberikan kontribusi arus hubung singkat akibat inersia beban dan rotor tetap berputar menggerakkan motor setelah terjadinya gangguan. Tetapi ada perbedaan kontribusi arus hubung singkat antara motor induksi dengan mesin sinkron. Medan fluksi motor induksi dihasilkan oleh induksi di stator dan bukan berasal dari medan fluks DC. Karena fluksi ini tiba tiba menghilang setelah terjadi gangguan, maka kontribusi arus hubung singkat dari motor induksi juga drop secara cepat setelah beberapa cycle seperti yang diperlihatkan dalam gambar 2.3 (a). Sehingga tidak ada kontribusi arus gangguan steady state. Oleh karena itu, hanya nilai reaktansi sub transient (X d) motor induksi saja yang diperhitungkan. Namun untuk motor induksi dengan kapasitas besar (>50 Hp = > 37,3 kw) memiliki nilai reaktansi transient yang harus diperhitungkan. Besarnya arus hubung singkat yang dikontribusi oleh motor induksi juga bergantung pada besar daya motor, rating tegangan, serta impedansi menuju titik gangguan. Gambar 2.3 (e) menunjukan total arus hubung singkat yaitu jumlah (kombinasi) dari semua sumber yang memberikan kontribusi terhadap arus hubung singkat seperti peralatan peralatan yang telah dibahas yaitu sistem pembangkit (PLN), generator sinkron dan motor induksi. Besar arus hubung singkat yang terbesar adalah terjadi pada saat 1 ½ cycle pertama dan selanjutnya menurun setelah beberapa cycle berikutnya. Setelah 1 atau 2 cycle, kontribusi motor induksi segera menghilang.

7 Selain komponen simetris yang memberikan kontribusi terhadap arus hubung singkat, besar arus hubung singkat jauh lebih bertambah besar dalam beberapa cycle pertama adalah disebabkan oleh arus komponen DC seperti yang dapat dilihat pada gambar 2.2. Komponen DC ini menyebabkan gelombang arus hubung singkat menjadi tidak simetris dan pengaruh ini hanya sesaat dan menghilang. Namun menyebabkan sebuah perbedaan sudut magnitude yang besar antara puncak gelombang pertama setelah gangguan dengan puncak gelombang cycle berikutnya. (a) (b) Gambar 2.2 (a) gelombang arus hubung singkat simetris, (b) gelombang arus hubung singkat asimetris

8 Gambar 2.3 Total Arus Hubung Singkat (e) dengan Kontribusi Setiap Peralatan : a) Motor Induksi b) Mesin Sinkron c) Power Grid d) Komponen DC

9 2.3 Masalah pada Saat Starting Motor Induksi Masalah pada saat starting motor induksi yang umum menjadi perhatian adalah pada motor motor induksi tiga fasa yang memiliki kapasitas yang besar. Untuk menghasilkan torsi start yang cukup, motor induksi membutuhkan arus starting yang cukup besar yang mencapai 5 hingga 7 kali arus nominal motor. Arus start yang besar dan seketika ini disebut sebagai inrush current. Ada beberapa metode starting motor yang dapat dilakukan untuk mengatasi arus start yang besar, beberapa diantaranya adalah : 1. Direct On Line (DOL) 2. Wye Delta 3. Pengaturan Resistansi pada Stator 4. Autotrafo 5. Soft Stater 6. Frekuensi Converter Walaupun arus start yang besar tersebut hanya berlangsung dalam waktu yang cukup singkat, namun hal tersebut juga menyebabkan jatuh tegangan ( voltage drop ) sesaat yang disebut dengan voltage dip. Voltage Dip adalah penurunan tegangan antara (10 90) % dari tegangan nominal yang terjadi dalam waktu yang relatif singkat (0,5 cycle - beberapa detik). Efek yang merugikan akibat voltage dip ini meliputi : 1. Torsi yang bersifat transient yang dapat menyebabkan stress (tekanan) yang berlebih pada sistem mekanisnya. 2. Menghambat akselerasi (percepatan) putaran motor menuju kecepatan normal.

10 3. Kegagalan kerja dari peralatan peralatan lainnya seperti relay, contactor dan menyebabkan flicker cahaya yang cukup mengganggu. Untuk menjaga agar motor tetap beroperasi dan mencegah kegagalan kerja motor untuk mencapai kecepatan nominalnya, maka sebaiknya voltage dip tidak sampai di bawah 70% dari tegangan nominal. Ini dengan menganggap bahwa flicker cahaya bukanlah suatu hal yang mengganggu. Namun, jika faktor kualitas operasional dan pelayanan adalah hal yang utama, maka batasan voltage dip yang diiinkan adalah 10%. 2.4 Persamaan Persamaan pada Analisa Hubung Singkat dan Motor Starting Secara Manual Perhitungan Arus Hubung Singkat Penentuan rating peralatan pengaman (proteksi) pada suatu sistem tenaga listrik dimulai dengan studi hubung singkat. Tujuan dari perhitungan ini adalah untuk menghasilkan peralatan proteksi dengan rating pengamanan yang tepat dan akurat. Rating suatu alat proteksi dalam hal ini circuit breaker (CB) ditentukan dengan waktu beberapa cycle bagi breaker untuk membuka setelah hubung singkat. Waktu ini adalah waktu yang diperlukan bagi rele proteksi untuk menutup kontak tripping coil dan CB bekerja. Dalam penjelasan sub bab 2.2, bahwa arus hubung singkat terbesar adalah selama 1 ½ cycle awal karena pengaruh komponen DC dan kontribusi arus dari motor dan generator. Selanjutnya akan terus mengecil setelah beberapa cycle kemudian. Oleh karena itu, CB yang dipergunakan harus mampu menahan tekanan

11 mekanis dan panas akibat arus hubung singkat yang besar pada 1 ½ cycle awal dan mampu memutus arus pada 3, 5 atau 8 cycle setelah gangguan terjadi. Dengan demikian, maka ada dua dasar perhitungan arus hubung singkat yang harus diperhitungkan dalam menentukan rating CB. 1. Momentary Rating adalah kemampuan breaker untuk menahan tekanan mekanis dan panas dari arus hubung singkat max selama 1 ½ cycle setelah gangguan. 2. Interrupting Rating adalah kemampuan breaker untuk memutuskan arus hubung singkat 3, 5 atau 8 cycle setelah gangguan. Momentary dan interrupting rating ini ditentukan berdasarkan perhitungan arus hubung singkat 3 phasa. Gambar 2.4 menunjukkan rangkaian ekivalen hubung singkat tiga phasa, dimana ketiga arus fasa yang mengalir di masing masing impedansi Z tidak ada yang melawan ggl Ea, Eb, dan Ec yang dibangkitkan, sehingga diartikan pada arah positif. Demikian pula impedansi yang menghambat arus itu diartikan impedansi positif. Ia Ea Eb Ec Ic Ib Gambar 2.4 Rangkaian Ekivalen Hubung Singkat 3 Phasa Dengan demikian besar arus gangguan tiga phasa dapat dihitung dengan persamaan :

12 Dimana : I 3 phasa = Besar arus hubung singkat 3 phasa ( Ampere ) E phasa = Besar tegangan phasa terhadap netral sistem ( Volt ) Z 1 = Z ekivalen = Impedansi urutan positif dari seluruh rangkaian di dalam sistem, resistansi dan reaktansi (baik transient maupun sub transient) baik yang tersambung seri ataupun paralel yang disederhanakan menjadi satu nilai ekivalen sebesar Z ekivalen ( Ohm ) Untuk rating pengaman yang digunakan diatas 0,6 kv, maka rating yang diperhitungkan adalah momentary rating dan interrupting rating, sedangkan untuk pengaman yang bekerja dibawah 0,6 kv, breaking capacity yang dipakai adalah momentary rating. Momentary rating diperoleh dengan menentukan arus hubung singkat 3 phasa pada 1 ½ cycle. Pada perhitungan momentary rating ini, semua nilai resistansi dan reaktansi sub transient dari seluruh peralatan yang memberikan kontribusi arus hubung singkat diperhitungkan. Arus hubung singkat ini adalah arus hubung singkat simetris yang mencakup semua sumber arus hubung singkat yang dikontribusikan dari generator, motor induksi, dan semua utility yang menghubungkan sistem. Selain komponen simetris yang memberikan kontribusi terhadap arus hubung singkat, besar arus hubung singkat jauh lebih bertambah besar dalam beberapa cycle pertama adalah disebabkan oleh komponen DC. Komponen DC ini menyebabkan gelombang arus hubung singkat menjadi tidak simetris. Maka komponen DC ini juga diperhitungkan sebagai sebuah faktor koreksi terhadap besar arus hubung singkat

13 simetris tersebut dengan mengalikannya dengan yang disebut sebagai faktor pengali (multiplier factor / MF). Interrupting rating diperoleh dengan menentukan arus hubung singkat 3 phasa setelah 3, 5 atau 8 cycle. Pada saat ini, kontribusi motor induksi kapasitas kecil sudah mulai menghilang. Sehingga, pada perhitungan interrupting rating, yang diperhitungkan adalah nilai reaktansi subtransient generator dan reaktansi transient motor induksi kapasitas besar (>50 Hp = > 37,3 kw), sementara motor induksi kapasitas kecil diabaikan. Dalam menghitung impedansi ekivalen yaitu resistansi dan reaktansi (baik transient maupun sub transient), ada 3 cara yang dapat digunakan yaitu dalam satuan ohm, persen dan per unit dengan kva base yang sudah ditentukan. Perhitungan impedansi ekivalen dalam tugas akhir ini adalah mempergunakan sistem per unit. Sistem per unit adalah suatu metode perhitungan dengan menggunakan angka perbandingan sehingga mempermudah proses perhitungan. Nilai per unit adalah menyatakan sebuah nilai perbandingan (ratio). Sistem per unit ini digunakan dalam perhitungan arus hubung singkat untuk mengkonversikan semua nilai resistansi dan reaktansi yang berbeda dalam one line diagram menjadi sebuah nilai perbandingan berdasarkan sebuah nilai base yang telah dipilih. Nilai base adalah sebuah bilangan, biasanya nilai ini dipilih sama dengan nilai kva trafo terbesar dalam one line diagram. Nilai ini disebut sebagai kva base. Berikut adalah beberapa persamaan yang digunakan untuk mengkonversikan data impedansi ke sistem per unit dan juga persamaan untuk menyederhanakan

14 diagram impedansi dan menghitung jumlah (total) impedansi per unit berdasarkan base yang telah dipilih. 1. Mengkonversi nilai impedansi kabel, bus dan lain sebagainya dalam satuan ohm ke satuan per unit. 2. Mengkonversi nilai persen impedansi ke satuan per unit. 3. Mengkonversi nilai satuan per unit ke satuan persen impedansi. 4. Mengkonversi nilai per unit impedansi berdasarkan kva rating peralatan ke satuan per unit berdasarkan kva base. Nilai impedansi motor, generator maupun trafo biasanya diberikan dalam dalam satuan persen berdasarkan rating kva peralatan tersebut sehingga perlu dikonversikan ke satuan per unit berdasarkan kva base yang telah dipilih. Sebagai contoh, sebuah trafo 1000 kva dengan 5,75% impedansi maka nilai impedansi per unit nya dengan kva base adalah : Berdasarkan persamaan (2.3) maka, Sehingga berdasarkan persamaan (2.5),

15 5. Mengkonversi kontribusi daya hubung singkat (P SC ) yang memungkinkan dari sistem jaringan atas (tegangan menengah) ke satuan per unit. 6. Menghitung arus hubung singkat simetris rms (Ampere) 7. Mengkonversikan besar arus hubung singkat simetris (Ampere) ke besar arus hubung singkat asimetris (Ampere). 8. Menyederhanakan diagram impedansi dan menghitung jumlah (total) impedansi per unit seperti yang diperlihatkan dalam tabel 2.2. Tabel 2.2 Penyederhanaan diagram impedansi No Hubungan Diagram Persamaan 1 Seri X 1 X X 2 2 Paralel X 1 X 2 X 3 Paralel X 1 X 2 X 3 X 4 X

16 4 Wye to Delta 1 1 X a X c X b X B X C 3 X A Delta to Wye 1 1 X B X C X a X c X b 3 X A Ada 7 langkah dalam menghitung arus hubung singkat : 1. Persiapkan One Line Diagram One Line Diagram memperlihatkan sistem secara keseluuhan dan semua sumber arus hubung singkat seperti trafo, motor, generator, kabel, dan lain sebagainya. 2. Pilih base daya dan base tegangan kva yang biasa digunakan sebagai base perhitungan adalah kelipatan 1000, atau untuk mempermudah perhitungan. Kemudian tentukan juga base tegangan untuk setiap level tegangan pada sistem, biasanya menggunakan nilai tegangan pada trafo sebagai base tegangan. 3. Hitung nilai resistansi dan reaktansi Nilai resistansi dan reaktansi dari setiap peralatan dihitung dengan menggunakan persamaan (2.2) sampai dengan (2.6). 4. Buat diagram impedansi Semua nilai resistansi dan reaktansi tersebut dinyatakan dalam satuan per unit sesuai dengan base yang telah ditentukan dan digambarkan dalam diagram impedansi.

17 5. Sederhanakan diagram impedansi Diagram impedansi disederhanakan seperti yang terdapat dalam tabel Tentukan arus hubung singkat simetris Arus hubung singkat simetris dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.7). 7. Tentukan arus hubung singkat asimetris Arus hubung singkat asimetris dapat diperoleh dengan mengalikan arus hubung singkat simetris dengan faktor pengali (multiplier factor) seperti yang terdapat pada persamaan (2.8) dan (2.9) Perhitungan Arus Inrush dan Voltage Drop Motor Starting Persamaan berikut dapat digunakan untuk menetukan besar daya yang diperlukan untuk start motor : Dimana : S start = Daya yang diperlukan untuk start motor (kva) S rated = Daya nominal motor (Hp) Letter Code Factor = Faktor pengali (kva/hp) berdasarkan jenis motor induksi yang dapat dilihat dalam tabel 2.3 berikut. Tabel 2.3 Faktor Pengali Daya Start Terhadap Daya Nominal Motor Induksi Berdasarkan NEMA Letter Code Huruf Faktor Pengali (kva/hp) A 0 3,15 B 3,15 3, 55 C 3,55 4,00 D 4,00 4,50

18 E 4,50 5,00 F 5,00 5,60 Sehingga besar arus inrush motor adalah : Di mana : I start = Arus starting motor (Ampere) V nominal = Tegangan nominal motor (Volt) Dari one line diagram suatu sistem tenaga listrik, terdapat impedansi baik seri maupun paralel antara titik suplai sampai ke terminal motor. Prosedur perhitungan jatuh tegangan pada motor saat starting motor adalah dengan menghitung impedansi antara motor sampai pada titik dimana tegangan dapat diasumsikan konstan. Impedansi suatu motor dapat ditentukan dari katalog pabrikasinya, yang biasanya memberikan data arus beban penuh dan arus block rotor. Persamaan yang dapat dipakai untuk menentukan tegangan motor pada saat starting adalah : Dimana : = tegangan nominal motor = impedansi motor = = = power faktor motor

19 Rs = resistansi total antara motor sampai pada titik dimana tegangan dapat diasumsikan konstan Xs = reaktansi total antara motor sampai pada titik dimana tegangan dapat diasumsikan konstan Semua impedansi dinyatakan dalam satuan ohm, persen atau satuan per unit dengan base yang telah ditentukan. Jika drop tegangan dihitung dengan mengabaikan resistansi rangkaian dan hanya memperhitungkan reaktansi rangkaian, maka persamaan tersebut dapat disederhanakan menjadi : Impedansi motor dapat dihitung dengan persamaan : Dimana : V m = tegangan rating motor (volt) I s = arus start pada tegangan rated motor (amp) Impedansi motor juga dapat dinyatakan dalam persen dengan persamaan : Dimana : I LR = arus block rotor (amp) I FL = arus beban penuh (amp) Biasanya, nilai I LR /I FL bervariasi antara 5 sampai 10 bergantung pada type dan karakteristik motor. Dan regulasi tegangan dapat dicari dengan persamaan berikut :