Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober

Transkripsi

1 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober 203 STUDI KELAYAKAN KOORDINASI PROTEKSI SALURAN DISTRIBUSI 20 kv PADA SISTEM KELISTRIKAN KERETA LISTRIK (KRL) DI PT. KERETA API INDONESIA (PERSERO) RESOR LAA.9 JATINEGARA, DKI JAKARTA Rizky Haryogi Septiansyah, Ir. Wahyudi dan Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT., Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60 Abstrak -- Kereta Listrik merupakan salah satu unit usaha yang dimiliki oleh PT. Kereta Api Indonesia. Karena perannya yang vital sebagai alat transportasi massal, kereta listrik membutuhkan suplai tegangan yang handal dan kontinu. Namun dalam pelayanannya, peralatan pengaman yang dimiliki oleh PT. Kereta Api Indonesia masih belum terkoordinasi. Sehingga pada saat terjadi gangguan, terdapat kemungkinan kesalahan urutan trip pada peralatan pengamannya yang dapat mengakibatkan terhentinya kereta listrik akibat tidak adanya suplai tenaga (trip). Oleh karena itu, PT. Kereta Api Indonesia memandang perlu dilakukan evaluasi ulang terhadap sistem kelistrikan sehingga keandalan sistem tetap terjaga. Salah satu metode yang dilakukan adalah koordinasi peralatan pengaman, terutama koordinasi pada saat terjadi gangguan sistem dengan memfungsikan relay sebagai pengaman utama dan pengaman cadangan. Proteksi cadangan ini umumnya mempunyai perlambatan waktu (time delay). Hal ini bertujuan untuk memberikan kesempatan kepada proteksi utama beroperasi terlebih dahulu, sehingga jika proteksi utama gagal baru proteksi cadangan yang akan beroperasi. Untuk memenuhi fungsi tersebut maka waktu relay pengaman utama disetel lebih cepat dari pada relay pengaman cadangan. Relay pengaman dengan kemampuan selektif yang baik dibutuhkan untuk mencapai keandalan sistem yang tinggi karena tindakan pengaman yang cepat dan tepat dapat memperkecil wilayah gangguan. Hasil evaluasi ini akan dipakai sebagai acuan untuk melakukan perubahan konfigurasi maupun pengembangan sistem kelistrikan secara keseluruhan dalam usaha peningkatan kontinuitas suplai daya untuk kereta listrik. Kata kunci : rele pengaman arus lebih, koordinasi I. PENDAHULUAN ereta Listrik merupakan salah satu unit usaha yang Kdimiliki oleh PT. Kereta Api Indonesia (Persero). Karena perannya yang vital sebagai alat transportasi massal, kereta listrik membutuhkan suplai tegangan yang handal dan kontinu. Namun dalam pelayanannya, peralatan pengaman yang dimiliki oleh PT. Kereta Api Indonesia (Persero) masih belum terkoordinasi dengan baik. Sehingga pada saat terjadi gangguan, terdapat kemungkinan kesalahan urutan trip pada peralatan pengamannya yang dapat mengakibatkan terhentinya kereta listrik akibat tidak adanya suplai tenaga (trip). Oleh karena itu, PT. Kereta Api Indonesia (Persero) memandang perlu dilakukan evaluasi ulang terhadap sistem kelistrikan sehingga keandalan sistem tetap terjaga. Salah satu metode yang dilakukan adalah koordinasi peralatan pengaman, terutama koordinasi pada saat terjadi gangguan sistem dengan memfungsikan relay sebagai pengaman utama dan pengaman cadangan. Proteksi cadangan ini umumnya mempunyai perlambatan waktu (time delay). Hal ini bertujuan untuk memberikan kesempatan kepada proteksi utama beroperasi terlebih dahulu, sehingga jika proteksi utama gagal baru proteksi cadangan yang akan beroperasi. Untuk memenuhi fungsi tersebut maka waktu relay pengaman utama disetel lebih cepat dari pada relay pengaman cadangan. Relay pengaman dengan kemampuan selektif yang baik dibutuhkan untuk mencapai keandalan sistem yang tinggi karena tindakan pengaman yang cepat dan tepat dapat memperkecil wilayah gangguan. Hasil evaluasi ini akan dipakai sebagai acuan untuk melakukan perubahan konfigurasi maupun pengembangan sistem kelistrikan secara keseluruhan dalam usaha peningkatan kontinuitas suplai daya untuk kereta listrik. II. DASAR TEORI SISTEM PENGAMAN TENAGA LISTRIK 2.. Rele Arus Lebih Pada prinsipnya, rele arus lebih berfungsi sebagai pengaman gangguan hubung singkat, tetapi dalam beberapa hal dapat berfungsi sebagai pengaman beban lebih. Fungsi rele ini disamping sebagai pengaman utama untuk seksi yang diamankan juga berfungsi sebagai pengaman cadangan pada seksi berikutnya. Hal ini apabila rele arus lebih dipakai pada sistem distribusi tegangan menengah. Namun untuk saluran transmisi tegangan tinggi rele arus lebih berfungsi sebagai pengaman cadangan (back up) Pemilihan Setting Arus Rele Arus Lebih Penyetelan arus untuk rele arus lebih mempunyai batasan besarnya arus.pada dasarnya batas penyetelan rele arus lebih adalah rele tidak boleh bekerja pada saat beban maksimum. Arus setingnya harus lebih besar dari arus beban maksimum. batas penyetelan harus memperhatikan kesalahan pick up, menurut Standart British BS batas penyetelan antara nominal.05.3 Iset. Mengacu pada standart tersebut, pada tugas akhir ini lebih amannya menggunakan konstanta.05 Iset. Jadi untuk setingnya dapat dilihat sebagai berikut: I set =,05 x I nominal...(2.3) I set I s =...(2.4) rasio_ct dimana : I s = arus seting Pemilihan tap yang digunakan = I s / I n

2 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober Seting arus actual I set = tap x I n x CT Dicari nilai dibawahnya yang terdekat. Pada penyetelan rele arus lebih juga harus memperhatikan batas maksimum seting, untuk alasan keamanan dan back up hingga ke sisi muara (downstream) estimasi seting ditetapkan : I set 0.8 I sc 2, min...(2.5) I sc2,min adalah arus hubung singkat dua fase dengan pembangkitan minimum yang terjadi diujung saluran seksi berikutnya. Besar arus ini diperoleh dari arus hubung singkat tiga fase pada pembangkitan minimum dikalikan 0,866. Mengacu pada konsep diatas persyaratan setelan arus dapat dirumuskan sebagai berikut :,05 I maks < I set 0,8 I sc 2, min.. (2.6) Untuk operasi yang selektif, apabila terdapat beberapa rele arus lebih pada suatu jaringan radial. Maka rele pada ujung yang terjauh dari sumber harus disetel untuk dapat bekerja pada waktu yang sesingkat mungkin. Untuk jenis rele arus yang lebih karakteristik inverse, setelan waktunya ditentukan pada saat arus gangguan maksimum Pemilihan Setting Waktu Rele Arus Lebih Berdasarkan Standard IEEE 242 waktu yang dibutuhkan untuk kerja rele sampai circuit breaker membuka adalah s, dengan asumsi: Waktu terbuka circuit breaker 5 cycle : 0.08 detik Overtravel dari rele : 0. detik Faktor keamanan : 0.2 detik Untuk rele static dan rele digital berbasis mikroprosesor, over travel dari rele dapat diabaikan. Dari Standard tersebut ditentukan koordinasi antara dua rele yang bekerja sebagai rele utama dan rele backup adalah 0.3s. Misalnya pada koordinasi rele yang mempergunakan karakteristik definite time secara bertingkat. Untuk waktunya dipilih seting dari sisi hulu sampai dengan sisi hilir, dengan tunda waktu 0.3 s Pemilihan Setting Arus Fuse DC Alat pemutus yang memiliki bagian yang dirancang khusus untuk melebur dan membuka rangkaian jika arus yang melewatinya melebihi suatu nilai tertentu dalam waktu tertentu. Salah satu karakteristik penting dari elemen fuse adalah hubungan antara waktu dengan arus yang membentuk kurva yang didefinisikan sebagai : Kurva Minimum Melting Time : menunjukkan perbandingan antara waktu dan arus pada saat pengaman lebur mulai meleleh karena adanya arus gangguan Kurva Maksimum Clearing Time menunjukan perbandingan antara waktu dan arus dari saat pengaman lebur meleleh kemudan putus hingga busur api padam. III. SISTEM KELISTRIKAN GLAA JATINEGARA 20 KV GLAA Jatinegara 20 kv milik PT.KAI (PERSERO) di Jakarta merupakan penyedia jasa energi listrik untuk kendaraan transportasi Kereta Listrik (KRL). Mulai beroperasi pada tahun 976, GLAA Jatinegara diharapkan mampu membackup suplai energi listrik untuk KRL, yang sejak awal tahun 2000 memperluas jangkauan transportasi hingga daerah Cibinong dan sekitarnya. GLAA Jatinegara melakukan fungsinya sebagai penyuplai daya yang berasal dari jaringan PLN, yang dialirkan melalui kawat transmisi SUTM dengan tegangan bus 20 kv yang selanjutnya untuk diturunkan tegangannya oleh 4 trafo, semuanya merk Meidensha. Pada sistem kelistrikan GLAA Jatinegara, seluruh beban listrik hanya disuplai oleh satu utility (Power Grid), sedangkan utility yang lain hanya dijadikan sebagai back up. Terdapat 3 buah beban statis AC, 3 buah beban motor DC (masing-masing 2x600 HP) dan satu buah beban statis DC. Single line diagram GLAA dapat dilihat pada gambar 3.. Gambar 3. Single Line Diagram GLAA Jatinegara IV. KOORDINASI RELE PENGAMAN GLAA JATINEGARA 4.. Analisa Setting Koordinasi Rele Pengaman Tipikal Pada tipikal terdapat dua buah rele arus lebih yang akan diatur, yaitu OCR primer T.rect 0 kw, dan OCR Grid U. Rele arus lebih yang pertama adalah rele OCR primer T.rect 3500 kva yang merupakan rele arus lebih yang berperan melindungi bus. Selanjutnya ada rele OCR H2 sebagai pelindung Grid jika terjadi gangguan.

3 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober Typical DC Motor Bekasi Rele primary T4 CB 6 : General Electric Model : Multilin IAC 52-B : Inverse CT Ratio : / 5 Isc max 4 cycle bus : 2830 A Isc min 30 cycle bus : 2500 A FLA primary T2 : 0 A.05 x 0 Ips.05 x 0 06, Ips Ips Isc Min 30 cycle Bus 0.8 x 2500,77 Ips 50 Dipilih Tap = 2 A (Range 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 0, 2, 6) Gambar 4. Single Line Diagram Tipikal Waktu operasi = td = 0.3 Time Dial I Is = Isc Max 4 cycle Bus Iset = x2 = T td = Is 0,02 - t d Is 0, , T 5.7 Dipilih 5,7 (Range T dengan step 0.0) Gambar 4.2 Hasil plot setelan rele arus lebih pada tipikal berdasarkan eksisting rele Penjelasan gambar kurva di atas adalah sebagai berikut :. Adanya jeda cukup besar antara FLA trafo dan setting eksisting overcurrent pickup rele 23. Hal ini bisa berakibat buruk apabila Full Load Ampere (FLA) trafo T.rect 0 kw melebihi ratingnya dan rele 23 tidak mendeteksinya sejak dini. 0.8 Isc Min 30 cycle Bus- Ips 200/5 0.8 x 2500 Ips Ips 2000 Ips 33,3 Dipilih Tap = 33 A (pickup range 0 40 dengan step ) Time Delay = 0, s Perhitungan dalam pengaturan ulang rele akan dijabarkan sebagai berikut:

4 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober Rele Grid PLN CB H2 : ABB Model : REF 60 : Normal Inverse CT Ratio : / 5 Isc max 4 cycle bus : 2890 A Isc min 30 cycle bus : 2500A FLA : 22.6 A Tabel 4.. Eksisting dan Resetting rele hasil perhitungan pada tipikal.05 x FLA.05x 22,6 223,23 In Ip In Ip In Ip 2000 In 0.8 Isc Min 30 cycle Bus x 2500 In 0,74 In Ip 6,67 In Dipilih Tap = In (Range CT 0,3 5 In dengan step 0.) Nilai Aktual Iset = x = A Waktu operasi = td = Time Dial I Isc Max 4 cycle Bus = Is Iset = 0 x = 0 In td = 3,5 T Is - t d Is - 3,5 0-3,5 0,66 T 0,66 Dipilih (Range T 5 dengan step 0.) 0.8 Isc Min 30 cycle Bus- Ip Ip 0,8x2500 In Ip 6,7 In Dipilih Tap = 6,7 In (Range CT 0,5 35In dengan step 0.) Nilai aktual Iset = 6,7 x = 200 A Gambar 4.3 Hasil plot setelan rele arus lebih pada tipikal berdasarkan perhitungan Penjelasan gambar kurva di atas adalah sebagai berikut : Gambar 4.4 menunjukkan hasil plot dari setelan rele yang diperoleh pada perhitungan di atas. Gambar tersebut menunjukkan setelan dan koordinasi dari rele OCR primer T.Rect 0 kw dan rele OCR Grid PLN 20 kv. Pengaturan low set dari seluruh rele yang terdapat pada tipikal sesuai dengan standard BS , yakni dengan batas penyetelan antara,05,3 FLA.. Jeda antara FLA trafo T.rect 0 kw menjadi lebih kecil sehingga rele 23 akan lebih sensitive saat mendeteksi FLA trafo yang melebihi ratingnya. Time Delay Pengaturan waktu ( t>> ) =,8 s (Range 0,04 30 sec, dengan step 0.)

5 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober Analisa Setting Koordinasi Rele Pengaman Tipikal 2 Penjelasan gambar kurva pada gambar 4.5 adalah sebagai berikut :. Tanda lingkaran berwarna merah dengan nomor menunjukkan bahwa koordinasi ini dirasa masih kurang sesuai karena dikhawatirkan akan terjadi salah koordinasi karena kurva karakteristik yang masih bertabrakan. Perhitungan dalam pengaturan ulang rele akan dijabarkan sebagai berikut: Rele R.D.6 CB33 : ABB Model : REB 500 CT Ratio : 20 / 5 Isc max 4 cycle bus 2 : 287 A Isc min 30 cycle bus 2 : 249 A FLA = KVA = 50 = 4,4 A 3 KV 3 6 : Normal Inverse Gambar 4.4. Tipikal koordinasi 2 Pada tipikal 2 terdapat tiga buah rele arus lebih yang akan diatur, yaitu RelayD6, OCR H4S, OCR H4P. Rele arus lebih yang pertama adalah adalah rele yang melindungi hubung singkat didekat beban (JGA) yang selanjutnya dibackup oleh OCR H4S, dan OCR H4P untuk melindungi Bus 20 kv.,2 FLA. < Iset < 0,8 Isc Min. Bus 2,2 4,4 < Iset < 0, ,28 < Iset < , In < Iset < In In < Iset < 9.96 In Dipilih Tap = 2,05 In (Range CT In dengan step 0.0) Setting Aktual Iset: Tap x CT.Prim. 2,05 x20 = 4 A Dipilih waktu operasi (t d ) = 0. s t d = T t d 0. Isc max 4 cycle bus 2 Tap CT primary 0,02 - Gambar 4.5 Hasil plot setelan rele arus lebih pada tipikal 2 berdasarkan eksisting rele , ,02 - T> Dipilih T=0.04 (Range T dengan step 0.0)

6 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober Iset < 0,8 Isc Min. Bus 2 Iset < Iset < 99.2 In 20 Iset < 9.96 In Dipilih Tap = 9,96 In (pickup range CT 0. 20In dengan step 0.) Setting Aktual Iset Time Delay Dipilih time delay = 0, s Rele Secondary H4S CB3 : Tap x CT.Prim. 9,96 x20 = 99,2 A : ABB Model : REB 500 CT Ratio : 20 / 5 Isc max 4 cycle bus 6 : 287 A Isc min 30 cycle bus 6 : 249 A FLA secondary T : Normal Inverse : 9.25 A,05 FLA secondary T < Iset < 0,8 Isc Min. Bus6, < Iset < 0, < Iset < In< Iset < In In < Iset < 9.96In Dipilih Tap =. In (Range CT In dengan step 0.0) Setting Aktual Iset : Tap x CT.Prim..x20 = 20,2 A Dipilih waktu operasi (t d ) =0,+0,2= 0,3 s t d = T t d 0.3 Isc max 4 cycle bus 6 0,02 - Tap CT primary 0, ,02 - T= T> Dipilih T=0,06 (Range T dengan step 0.0) Iset < 0,8 Isc Min. Bus6 Iset 0,8 249 Iset 99.2 Iset < 99.2 In 20 Iset 9.96 In Iset = 9.96 In (pickup range CT In dengan step 0.) Setting Aktual Iset : Tap x CT.Prim x 20 = 99.2 A Time Delay Dipilih time delay = 0,3 s Rele primary H4P CB H4 : ABB Model : REB 500 : Normal Inverse CT Ratio : 0 / 5 Isc max 4 cycle bus 7 : 2890 A Isc min 30 cycle bus 7 : 2500 A FLA primary T : 5.77 A,2 FLA primary T< Iset < 0,8 Isc Min. Bus 7, < Iset < 0, < Iset < In < Iset < In 0 0 0,69 In < Iset < 200 In Dipilih Iset = 0.69 In (Range CT In dengan step 0.0) Setting Aktual Iset : Tap x CT.Prim. 0,69 x 0 = 6,9 A

7 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober Dipilih waktu operasi (t d ): 0,5s t d = T t d Isc Max. Bus 7 0,5 Tap CT primary 0, ,5 0,69 0 0,02 - T > 0,08, ditentukan T= 0,08 (Range T dengan step 0.0) Iset 0,8 x Isc Min. Bus Iset 0, Iset 2000 Iset < 2000 In 0 Iset < 200 In Dipilih Iset = In (pickup range CT In dengan step 0.) Nilai Aktual : Tap x CT.Prim. x 0 = 0A Time Delay Dipilih time delay = 0,2 s Tabel 4.2 Tabel Eksisting dan Resetting Perhitungan Rele pada Tipikal 2 Gambar 4.7 Hasil plot setelan rele arus lebih pada tipikal 2 berdasarkan perhitungan Tanda lingkaran berwarna merah dengan nomor menunjukkan bahwa koordinasi antara kedua rele tersebut sudah baik. Untuk koordinasi antara OCR H4S dan H4P bisa dikatakan baik, karena tidak terjadi miss-coordination dan overlap antar rele tersebut. Jadi apabila terjadi gangguan hubung singkat pada Bus diatas beban,rele yang pertama kali bekerja adalah R D6,selanjutnya bertindak sebagai backup adalah OCR H4S lalu rele OCR H4P yang bekerja sebagai backup dari OCR H4S jika rele tersebut gagal memutus gangguan hubung singkat pada bus Analisa setting DC Fuse 2 Kondisi eksisting DCFuse 2 dapat dilihat pada gambar di bawah ini : Gambar 4.8 Kurva proteksi eksisting dari DCFuse 2

8 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Oktober Penjelasan kurva gambar 4.8 adalah : Pada kondisi eksisting kurva proteksi DCFuse 2 terdapat delay peleburan elemen fuse dari 0.08s hingga 0.0 s. Hal ini bisa beresiko merusak peralatan yang seharusnya bisa terlindungi DCFuse 2 Jenis DCFuse 2 : Gould Shawmut Tipe Fuse : A4BQ FLA : 000 A I cont bus 4 : A Isc bus 4 : 7842 A Demi mempertimbangkan kapasitas arus kontinyu pada bus 4, maka dipilih rating fuse 650 A. Kapasitas arus kontinyu fuse, adalah 50% dari rating arus fuse, yaitu : I maks fuse : = 975A DCFuse 2 adalah peralatan pengaman rectifier yang memiliki Isc bus sebesar 7842 A dan memadamkan arus gangguan tersebut pada waktu 0,004 s. Tabel 4.3. Tabel perbandingan eksisting dan resetting DCFuse 2 Sehingga kurva resetting DCFuse 2 menjadi sebagai berikut : Gambar 4.9 Kurva proteksi resetting dari DCFuse 2 Penjelasan dari kurva 4.9 adalah. Tanda lingkaran berwarna merah dengan nomor menunjukkan bahwa apabila terjadi arus gangguan (Isc) DC Fuse 2 akan langsung putus dan tidak terjadi delay. V. KESIMPULAN Berdasarkan pengamatan data eksisting, perhitungan manual dan hasil simulasi dari data GLAA Jatinegara, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :. Hasil plot kurva data eksisting GLAA Jatinegara memperlihatkan bahwa ada rele yang terjadi misscoordination dan overlaping antara rele utama dengan rele backup. Hal ini berarti koordinasi kerja antar rele tidak dapat berjalan dengan baik dan tidak sesuai urutannya. 2. Setelah dilakukan perhitungan manual dan disimulasikan. Hasil plot kurva hasil resetting GLAA Jatinegara memperlihatkan bahwa tidak ada rele yang terjadi misscoordination dan overlaping antara rele utama dengan rele backup. 3. Grading time yang digunakan untuk koordinasi kerja dari rele pengaman adalah sebesar 0.2 dan 0,3 detik. Hal ini dianggap sesuai karena dengan grading time sebesar 0.2 0,4 detik dapat memberikan waktu yang cukup kepada rele pengaman utama untuk selesai memutus gangguan terlebih dahulu. Sehingga kejadian trip secara bersamaan antara rele pengaman utama dan rele backup pada saat terjadi gangguan hubung singkat dapat dihindari dan koordinasi kerja antar rele dapat berjalan dengan baik. 4. Menurunkan sensing arus continue DC Fuse 2 dari 630 A menjadi 625 A. DAFTAR PUSTAKA. SPLN 52-3 : 983, Pola Pengaman Sistem Bagian Tiga, Sistem Distribusi 6 kv dan 20 kv, Perusahaan Umum Listrik Negara, Jakarta, Pasal 4, Penangsang, Ontoeseno, Diktat Kuliah Analisa Sistem Tenaga, Teknik Elektro-ITS, Surabaya, Marsudi, Djiteng, Operasi Sistem Tenaga Listrik, Graha Ilmu, Yogyakarta, Wahyudi R, Diktat Kuliah Sistem Pengaman Tenaga Listrik, Teknik Elektro-ITS,Surabaya, IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems Standard Horowitz, Stanley H. dan Phadke, Arun G., Power System Relaying 3 rd Edition, John Wiley & Sons Ltd, England, Gurevich, Vladimir, Electric Relays, Principle and Application, CRC Press, USA, Ch. 0, Hewitson, L.G., Brown, Mark, Balakrishnan, Ramesh, Practical Power System Protection, IDC Technologies, Netherland, Gers, Juan M., dan Holmes, Edward J., Protection of Electrical Distribution Network 2 nd Edition, The Institution of Electrical Engineers, London, Ch. 5, Sleva, Anthony F., Protective Relay Principles, CRC Press, USA, Ch. 5, Modul Diklat GLAA Jatinegara PT.KAI (PERSERO), Dasar- Dasar Sistem Kelistrikan Aliran Atas, Pusdiklat PT. KAI (PERSERO), Pabla. AS, Sistem Distribusi Daya Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, Gross, Charles A, Power System Analysis Second Edition, John Wiley, 979