EVALUASI KEMAMPUAN PEMUTUS TENAGA DAN KABEL PENGHANTAR 20 KV DENGAN MASUKNYA PEMBANGKIT BARU SEBESAR 10 MW STUDI KASUS SISTEM KELISTRIKAN KOTA KENDARI Sahabuddin Hay 1, Mustamin 1, Tambi 1, Siti nawal jaya 2, Waode Zulkaidah 2 1 Program Stud Teknik Elektro, Universitas HaluOleo Jl. HEA Mokodompit, Anduonohu, Kendari Sulawesi Tenggara 2 Program Stud D3 Teknik Elektronika, PPV, Universitas HaluOleo Jl. HEA Mokodompit, Anduonohu, Kendari Sulawesi Tenggara E-mail: mjjamal16@gmail.com ABSTRAKS Penelitian ini bertujuan mengevaluasi kapasitas PMT pada tegangan 20 pada gardu induk Puwatu dengan masuknya PLTU3 NII Tanasa 10 MW yaitu tingkat ketahanan terhadap arus gangguan maksimum yang diterima (momentary rating) dan kemampuan memutus dengan sempurna arus hubung singkat yang diterima (interupting rating). Disamping itu dilakukan evaluasi proteksi penghantar kabel. Pemodelan dan simulasi sistem tenaga listrik kota Kendari menggunakan bantuan software ETAP 12.6. metode perhitungan hubung singkat menggunakan standar ANSI/IEEE. Hasil simulasi menunjukkan bahwa CB yang terpasang pada tegangan 20 kv gardu induk Puwatu memenuhi momentary duty yang disyaratkan. Nilai gangguan asimetris sekitar 26,09% - 43,66% dari batas ketahanan maksimumnya. CB yang dipasang memenuhi persyaratan interupting duty, dimana arus gangguan adj simetris berkisar 30,024% - 47,569% dari batas kemampuan maksimumnya. Ketahanan hubung singkat rms simetris busbar nilai aktualnya masih lebih besar dari arus hubung singkat terbesar yang terjadi pada setiap busbar. Untuk penghantar kabel masih memiliki rating arus hubung singkat maksimal selama 0,1 detik yang lebih besar dari nilai arus gangguan maksimum yang terjadi selama 1,5-4 siklus. Kata Kunci: analisa hubung singkat, momentary duty pemutus tenaga, interupting duty pemutus tenaga, proteksi penghantar kabel. 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Di dalam suatu sistem tenaga listrik, energi listrik yang dihasilkan oleh unit-unit pembangkit disalurkan melalui penghantar menuju kepusat-pusat beban. Karena pertimbangan tertentu, biasanya pembangkit berada jauh dari pusat beban sehingga diperlukan suatu sistem penyaluran energi listrik untuk sampai ke pusat-pusat beban. Penggunaan saluran udara menyebabkan rentangnya terjadi gangguan dari luar, seperti hubung singkat. Gangguan hubung singkat dapat terjadi antar fasa (3 fasa atau 2 fasa), dua fasa ketanah dan satu fasa ketanah yang sifatnya bisa temporer atau permanen. Gangguan hubung singkat permanen, bisa terjadi pada kabel atau pada belitan trafo tenaga yang disebabkan karena arus gangguan hubung singkat antara fasa atau fasa-tanah, sehingga penghantar menjadi panas yang berpengaruh pada isolasi atau minyak trafo tenaga sehingga isolasi tembus. Pada generator, yang disebabkan adanya gangguan hubung singkat atau pembebanan yang melebihi kemampuan generator, sehingga rotor memasok arus dari eksitasi berlebih yang dapat menimbulkan pemanasan pada rotor yang dapat merusak isolasi sehingga isolasi tembus, terjadilah gangguan hubung singkat. Dititik gangguan terjadi kerusakan yang permanen, dan peralatan yang terganggu baru bisa dioperasikan kembali setelah bagian yang rusak diperbaiki atau diganti. Gangguan yang bersifat temporer biasanya terjadi pada saluran udara tegangan menengah yang tidak mempergunakan isolasi yang disebabkan karena adanya sambara pembangkit n petir pada penghantar listrik yang tergelar diudara (saluran udara tegangan menengah) yang menyebabkan flashover antara penghantar dengan travers melalui isolator atau penghantar tertiup angin yang dapat menimbulkan gangguan antar fasa atau penghantar fasa yang menyentuh pohon yang dapat menimbulkan gangguan 1 fasa ketanah. Gangguan ini yang tembus (breakdown) adalah isolasi udara, oleh karena itu tidak ada kerusakan yang permanen. Setelah arus gangguannya terputus, misalnya karena terbuka circuit breaker oleh relai pengamannya, peralatan atau saluran yang terganggu tersebut siap dioperasikan kembali. Gangguan hubung singkat dapat merusak peralatan melalui dua mekanisme kerja yaitu secara thermis dan secara mekanis. Thermis atau pemanasan berlebih pada peralatan listrik yang dilalui oleh arus gangguan dapat merusak peralatan. Dimana kerusakan akibat arus gangguan tergantung pada besarnya dan lamanya arus gangguan. Mekanis atau gaya tarik menarik/tolak-menolak pada penghantar fasa yang terganggu karena adanya frekwensi elektris yang dapat menimbulkan frekwensi mekanis. Dimana arus gangguan hubung 393
singkat yang terjadi, dapat menimbulkan gaya tarik-menarik atau tolak menolak pada penghantar yang dilalui arus gangguan tersebut. Seperti material busbar, belitan pada trafo tenaga atau generator listrik, material ini harus memiliki kekuatan mekanis sehingga tahan terhadap gaya-gaya mekanis tersebut. Misal pada trafo tenaga saat terjadi gangguan listrik disisi skundern maka belitannya akan mengalami gaya radial dan axial yang dapat mengendurkan jepitan dan belitannya.(sarimun,2012:2-4) Analisa sistem tenaga pada kondisi abnormal dan hubung singkat memainkan peranan penting dalam desain dan operasi sistem proteksi atau dengan kata lain memainkan peranan penting dalam keandalan operasi sistem tenaga. Perhitungan arus hubung singkat merupakan bagian yang penting untuk menentukan interrupting duty dari circuit breaker dan perhitungan setting relay proteksi. Arus yang cukup besar akan mengalir melalui saluran menuju ketitik gangguan saat terjadi hubung singkat. Besarnya arus gangguan hubung singkat dipengaruhi oleh jenis gangguan hubung singkat, jarak titik gangguan dari sumber tenaga listrik/impedansi saluran, impedansi gangguan dan jumlah pembangkit yang beroperasi/mva hubung singkat. Didalam analisa hubung sistem tenaga listrik untuk menentukan besarnya arus hubung singkat, unsur-unsur seperti jenis gangguan, jarak titik gangguan serta impedansi gangguan biasanya sudah diambil nilai maksimum dan minimumnya. Dan nilai ini biasanya tetap atau tidak banyak berubah, sedangkan jumlah pembangkit yang beroperasi, sering berubah seiring dengan pembangunan pusat-pusat pembangkit baru. Akibatnya aliran daya pada saat hubung singkat akan mengalami perubahan. Penambahan pembangkit ini kemungkinan akan menyebabkan berubahnya MVA hubung singkat di gardu- gardu induk, sehingga perlu dilakukan perhitungan arus gangguan hubung singkat kembali untuk melihat kinerja peralatan sistem tenaga seperti pemutus tenaga (PMT), busbar dan penghantar kabel ditinjau dari aspek keamanan dan keandalan peralatan. Perhitungan arus hubung singkat ac sangat penting dalam pemilihan rating peralatan pengaman yang memuaskan dan verifikasi peralatan pengaman yang telah ada. Pemilihan momentary duty dan interupting duty PMT didasarkan pada arus hubung singkat terbesar yang terdapat pada titik gangguan. Beroperasinya pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) sebesar 10 MW yang terkoneksi ke sistem kelistrikan kota Kendari, menjadi alasan dilakukan penelitian. Pemodelan dan perhitungan arus hubung singkat pada sistem kelistrikan kota Kendari menggunakan perangkat lunak Electrical Transient Alternative Program (ETAP) 12.6. Batasan masalah dalam penelitian ini ialah bahwa studi analisis dilakukan dengan metode perhitungan IEEE/ANSI C.37 dimana existing peralatan didasarkan pada standar industri IEC. Studi evaluasi perbandingan hasil penelitian akan disertakan sebagai dasar penyesuaian agar perbandingan antara keduanya menjadi relevan. data-data yang diinput pada software ETAP 12.6 serta diagram garis tunggal didapatkan dari PT.PLN(PERSERO) Area Kendari. Pendekatan perhitungan menggunakan bantuan komputer program biasanya mempertimbangkan aspek keamanan, kepraktisan metode dalam batas akurasi yang masih dapat ditoleransi. 1.2 Tinjauan Pustaka Besar arus gangguan hubung singkat tergantung dari kontribusi sumber yang membangkitkan arus tersebut dan impedansinya, dan sistem impedansi sampai ke titik gangguan. Sumber arus hubung singkat ialah : sistem pelayanan utility, generator, motor sinkron, dan motor induksi. (Lazar Irwin, 1980) Penelitian dalam (Gokulpure and Jain, 2015) menghadirkan analisa hubung singkat sistem tenaga dengan metode konvensional dan juga menghadirkan review dalam pekerjaan penelitian yang dilakukan dalam bidang analisa hubung singkat. Penelitian ini menunjukkan pekerjaan studi lengkap dan survey literatur dari metode analisa hubung singkat konvensional, elemen-elemen yang berbeda dari jaringan tenaga listrik dan jenis gangguan yang beragam yang terdapat pada sistem tenaga listrik, software Mi-Power digunakan untuk analisa hubung singkat dan software ini sangat interaktif. Penelitian mengenai evaluasi kemampuan pemutus tenaga pada sistem kendari dengan masuknya pembangkit listrik tenaga uap sebesar 10 MW dilakukan pada (mustamin dkk, 2018). Pada penelitian ini perhitungan hubung singkat menggunakan standar IEC 60909 untuk melihat kemampuan pemutus tenaga sistem Kendari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kapasitas PMT pada pada tegangan 20 kv masih aman. 1.3 Metodologi Penelitian Peneltian ini bertujuan untuk mengevaluasi kapasitas pemutus tenaga (PMT) yang terdapat pada incoming dan outgoing gardu induk Puwatu serta kemampuan kabel penghantar sistem 20 kv apabila dilalui arus gangguan hubung singkat. Data yang diperlukan adalah data diagram garis tunggal sistem kendari serta data komponen sistem tenaga yaitu generator, penghantar, transformator, beban setiap penyulang data kapasitas PMT Gardu Induk Powatu. Data ini didapatkan dari PT. PLN (PERSERO) Sistem Kendari yang merupakan data skunder. Data-data ini 394
kemudian digambar, diinputkan nilai-nilai sesuai data skunder sistem Kendari serta disimulasikan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Elektrical Transient Program Analysis (ETAP). ETAP merupakan perangkat lunak yang dapat mensimulasikan gangguan hubung singkat. Terdapat dua metode perhitungan hubung singkat yang terdapat pada software ETAP yaitu standar IEC 60909 dan standar ANSI/IEEE. Pada penelitian ini menggunakan standar ANSI/IEEE. Hasil keluaran ini dapat menghitung momentary duty dan interupting duty. Serta hasilnya dapat digunakan pula untuk mengevaluasi ketahanan kabel penghantar pada saat dilalui arus gangguan hubung singkat pada waktu singkat. Simulasi gangguan hubung singkat yang digunakan dalam evaluasi beban duty PMT didasarkan pada dua jaringan impedansi; jaringan impedansi subtransient ½ siklus, dan jaringan impedansi transient 1,5 4 siklus. Evaluasi momentary duty PMT terjadi selama simulasi gangguan pada jaringan impedansi ½ siklus. Parameter yang digunakan sebagai perbandingan duty ini yaitu antara hasil perhitungan momentary duty dengan kapasitas Closed and Latching (C&L Capacity). Evaluasi interupting duty terjadi selama simulasi gangguan pada jaringan impedansi 1,5 4 siklus. Parameter yang digunakan sebagai perbandingan duty ini yaitu antara hasil perhitungan interupting duty dengan kapasitas Interupting rating. Langkah-langkah perhitungan berdasarkan standar ANSI/IEEE dapat dilihat pada (mustamin dkk, 2018). Evaluasi proteksi penghantar kabel berdasarkan formula ICEA P-32-382-1969: untuk tembaga I CM untuk alumunium 2 T f t = 0,0297 log + 234 T o + 234 (1.1) I CM dengan : 2 t = 0,0125 log T f + 238 T o + 238 (1.2) I : arus gangguan yang mengalir (Ampere) CM : ukuran konduktor penghantar (AWG atau kcmil) t : waktu arus mengalir (detik) T f : temperatur akhir ( o C) T o : temperatur awal ( o C) 2. PEMBAHASAN 2.1 Tingkat Gangguan Hubung Singkat Gambar 2.1 Grafik Tingkat Gangguan Hubung Singkat Sebelum dan Sesudah Masuknya PLTU3 10 MW 395
Hasil simulasi menunjukan arus gangguan hubung singkat 3 fase simetris untuk bus 20 kv pada gardu induk Puwatu untuk sistem kendari berkisar antara 7,725 ka 7,767 ka pada kondisi sebelum masuknya PLTU3 NII Tanasa 10 MW. Gangguan tanah yang terjadi pada kisaran 16,79 % - 16,96 % terhadap gangguan 3 fase simetrisnya pada busbar yang bersesuaian. Gangguan antar saluran yang terjadi yang terjadi pada kisaran 87,12 % - 87,13 % terhadap gangguan 3 fase simetrisnya pada busbar yang bersesuaian. Gangguan dua saluran ketanah yang terjadi yang terjadi pada kisaran 90,92 % - 90,95 % terhadap gangguan 3 fase simetrisnya pada busbar yang bersesuaian. Terjadi kenaikan arus gangguan hubung singkat tiga fasa pada kisaran 6,90 % - 7,07 % setelah masuknya PLTU3 10 MW pada busbar yang bersesuaian. Arus hubung singkat gangguan tanah terjadi kenaikan sebesar 0,987 % - 0,992 % pada busbar yang bersesuaian. Arus hubung singkat antar fasa terjadi kenaikan sebesar 6,88 % - 7,06 % pada busbar yang bersesuaian. Arus hubung singkat gangguan dua saluran ketanah 6,67% -6,84% pada busbar yang bersesuaian. 2.2 Evaluasi Duty Peralatan Proteksi PMT Gambar 2.2 Grafik Perbandingan Momentary Duty sebelum & sesudah masuknya PLTU3 10 MW dengan momentary rating PMT 20 kv Sistem Kendari. Penyesuaian data existing sistem Kendari yang memakai standar industri IEC, dimana parameter momentary duty yang dikenal dalam standar ini yaitu making capacity, parameter ini bersesuaian dengan parameter closed and latching yang menggambarkan momentary duty pada standar ANSI/IEEE. Duty ini pada dasarnya menggambarkan tingkat ketahanan terhadap arus gangguan maksimum yang diterima. Hasil simulasi menunjukan bahwa semua CB tegangan tinggi yang terpasang pada gardu induk Puwatu sistem kendari memenuhi momentary duty yang disyaratkan. Range nilai arus gangguan asimetris 10,436 ka- 11,176 ka. Nilai arus gangguan asimetris ini sekitar 26,09% - 43,66% dari batas ketahanan maksimumnya. 2.3 Evaluasi interupting duty (duty pemutusan) PMT. Gambar 2.3 Grafik perbandingan interupting Duty dan interupting rating PMT Sistem Kendari Penyesuaian data existing sistem Kendari yang memakai standar industri IEC, dimana parameter interupting duty yang dikenal dalam standar ini yaitu breaking capacity, parameter ini bersesuaian dengan parameter interupting 396
rating yang menggambarkan duty pemutusan pada standar ANSI/IEEE. Duty ini mereprentasikan kapasitas pemutusan CB terhadap menerima arus gangguan sehingga arus hubung singkat dapat diputus dengan sempurna. Nilai adjusted yang diperoleh merupakan pendekatan rating CB tegangan tinggi berkaitan dengan waktu pemutusan CB 8 cycles (0,16 detik). Hasil simulasi menunjukan bahwa semua PMT yang terpasang pada gardu induk Puwatu sistem kendari memenuhi interrupting duty yang disyaratkan. Range nilai arus gangguan asimetris 7,506 ka-7,661 ka. Nilai arus gangguan simetris ini sekitar 30,024% - 47,569% dari interupting ratingnya. 2.4 Evaluasi Proteksi Penghantar Kabel Sebagai nilai yang dipakai standar pengujian untuk melindungi kerusakan insulasi suhu akhir berdasarkan materi insulasi sebagai berikut ; Paper, rubber, dan varnish cloth 200 o C Thermoplastic 150 o C Arus hubung singkat yang diperhitungkan pada 1,5-4 siklus pertama sebagai asumsi arus gangguan transient, yang digunakan sebagai perbandingan data spesifikasi yang tersedia. Untuk memperhitungkan evaluasi tingkat ketahanan kable penghantar, diperhitungkan tingkat arus yang dizinkan dengan formula dari ICEA, dengan bahan insulasi XLPE (Crosslinked Polythylene) tingkat suhu maksimal diizinkan T f = 250 o C ; suhu maksimal operasi normal T o = 75 o C konduktor penghantar Alumunium. Ukuran yang digunakan oleh kabel existing dalam mm 2 yang harus dikonversi ke AWG atau kcmil dengan konversi dimana 1 kcmil = 0,5067 mm 2. Kabel penghantar yang terpasang pada tegangan 20 kv dikoordinasikan dengan waktu kerja pemutusan 8 siklus (0,16 detik f = 50 Hz). Gambar 2.4 Grafik perbandingan antara rating hubung singkat 0,3 detik (15siklus) dengan rating hubung singkat aktual 1,5-4 siklus. Hasil simulasi ETAP menunjukan bahwa seluruh kapasitas kabel penghantar 20 kv pada gardu induk Puwatu masih aman. Kisaran besar arus hubung singkat yang dialami kabel pada rentang 28,28% - 28,53 % dari kapasitas maksimumnya 3. KESIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan arus gangguan dengan masuknya pembangkit Listrik tenaga Uap (PLTU) NII Tanasa sebesar 10 MW masih dibawah dari kapasitas pemutus tenaga yang ada Gardu Induk Puwatu serta luas penampang kabel penghantar 20 kv masih dapat menahan kenaikan arus gangguan akibat masuknya PLTU 10 MW dalam waktu singkat. Penelitian ini dapat dilanjutkan untuk mengevaluasi kinerja trafo arus dan koordinasi proteksi incoming dan outgoing penyulang 20 kv pada gardu induk Puwatu. PUSTAKA Buku Panduan Manual ETAP 12.6 Power Station, Operation Technology Inc, lake Forest, USA. IEEE Standard 242-1986, IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial power Systems. (IEEE Blue Book) IEEE Standard 141-1993, IEEE Recommended Practice for Electrical Power Distribution for Industrial Plants. (IEEE Red Book) IEEE Standard 399-1997, IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Sytem Analysis. (IEEE White Book) IEEE C.37.04-1979(1988), Standard Rating for AC High-Voltage Circuit Breaker IEEE C.37.010-1979(1988), Standard Application Guide for AC High-Voltage Circuit 397
Lazar irwin, 1980, Electrical System Analysis and Design for Industrial Plants, McGraw-Hill Book Company, New York Mustamin, laode fathur rahim, sahabuddin hay and gamal abdul nasser, Analysis of Short Circuit Current by Generator Addition In Interconnnecting Grid On CB Capacity, International Conference on Vocational Innovation And Applied Sciences (ICVIAS), 2018 Ranjeet Kumar Gokulpure and Preeti Jain, Review of Short Circuit Analysis in Power System,IJSRD Vol.3, issue 05,2015, ISSN (online): 2321-0613 Sarimun Wahyudi. 2012. Proteksi Sistem Distribusi Tenaga Listrik. Edisi Pertama: Garamond 398