BAB III PROTEKSI GANGGUAN TANAH PADA STATOR GENERATOR III.1 Umum Arus gangguan tanah adalah arus yang mengalir melalui pembumian. Sedangkan arus yang tidak melalui pembumian disebut arus gangguan fasa. Arus gangguan semacam ini berbahaya bagi peralatan karena nilainya sangat besar dan dapat merusak isolasi peralatan tersebut. Arus gangguan hubung singkat ke tanah harus dapat dideteksi dan kemudian diisolir agar tidak mengalir ke peralatan sistem tenaga listrik. III.2. Metode Pembumian Generator Metode pembumian suatu generator menentukan jenis proteksi gangguan tanah yang akan diterapkan. Faktor kuncinya adalah arus gangguan tanah yang muncul pada sistem tersebut. arus ini dapat bervariasi dari beberapa ampere sampai sebesar arus gangguan tiga fasa. III.2.1 Sistem yang tidak dibumikan Suatu sistem dikatakan tidak dibumikan apabila tidak terdapat hubungan fisik antara netral dan tanah. Hanya terdapat kapasitansi dari sistem tersebut ke tanah. Kapasitansi terbesar adalah kapasitansi yang berasal dari belitan stator generator.
Gambar 3.1 Generator yang tidak dibumikan Jika kapasitansi pada tiap fasa ke tanah sama besarnya, maka tegangan fasa ke netral pada keadaan normal akan muncul pada tiap fasa dan tanah seperti Gambar 3.5(a). Arus hubung singkat fasa ke tanah pada sistem yang tidak dibumikan adalah fungsi dari kapasitansi shunt ke tanah dan biasanya bernilai kurang dari 10 A. Gambar 3.2 Arus pengisian kapasitansi ke tanah pada sistem yang tidak dibumikan Gambar 3.3 Tegangan kapasitansi tiap fasa ke tanah
Pada keadaan normal, arus pengisian pada tiap fasa adalah: I a = (3.1) I b = (3.2) I c = (3.3) Jika terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah, tegangan sistem akan berubah dan tegangan antara fasa yang sehat dengan tanah akan meningkat menjadi tegangan fasa fasa. Hal ini menyebabkan naiknya arus pengisian pada masing - masing fasa yang sehat sebesar. arus gangguan tanah (I cf ) merupakan penjumlahan dari arus pengisian pada fasa yang sehat (I b dan I c ). Arus pada fasa yang sehat menjadi: I b = = (3.4) I c = = (3.5) berikut: Arus gangguan tanah menjadi tiga kali arus pengisian kapasitansi, seperti persamaan I cf =I b + I c = = (3.6) III.2.2 Pembumian langsung Pada sistem pembumian langsung, tidak ada impedansi yang dihubungkan secara sengaja antara titik netral generator dengan tanah. Setiap terjadi gangguan hubung
singkat selalu mengakibatkan terputusnya saluran. Arus gangguan sangat besar sehingga berbahaya bagi peralatan. Pada metode ini, arus gangguan tanah dapat mencapai nilai arus gangguan tiga fasanya. Pembumian langsung pada generator hanya dapat dilakukan jika reaktansi urutan nol (X 0 ) generator cukup besar. Reaktansi ini berguna untuk membatasi arus gangguan tanah agar lebih kecil dari arus gangguan tiga fasa. Metode ini hanya dapat diterapkan pada generator yang didesain khusus agar tahan terhadap arus gangguan yang tinggi. III.2.3 Pembumian melalui tahanan tinggi Tahanan tinggi dihubungkan antara titik netral generator dengan tanah. Terkadang, tahanan rendah dihubungkan pada belitan sekunder transformator satu fasa (transformator distribusi) atau pada pembumian netral transformator. Metode ini membatasi arus gangguan tanah sebesar 5-10 A. Karakteristik pembumian tahanan tinggi adalah : a. Tidak terjadi pemutusan pada gangguan tanah yang pertama (kontinuitas pelayanan baik), b. Tidak berbahaya bagi manusia yang berada dekat titik gangguan, c. Memperkecil resiko kerusakan pada peralatan, d. Memperkecil tegangan lebih transient akibat gangguan busur tanah. III.2.4 Pembumian melalui transformator distribusi Pembumian melalui transformator distribusi adalah cara yang paling sering digunakan untuk pembumian impedansi tinggi. Pada Gambar (3.4) ditunjukkan skema pembumian menggunakan transformator distribusi. Tahanan yang dilihat pada netral generator sama dengan nilai ohmic dari resistor sekunder dikali dengan akar dari turn
rasio transformator. Rangkaian yang ekivalen juga dapat diperoleh dengan memasang sebuah resistor langsung antara netral dan tanah. Kelebihan penggunaan transformator distribusi ini adalah menghindari pemakaian resistor tegangan tinggi yang relatif mahal. Gambar 3.4 Pembumian dengan transformator distribusi Belitan primer transformator harus mempunyai rating tegangan yang sama atau lebih besar dari tegangan fasa-netral generator. Belitan sekunder transformator pembumian biasanya mempunyai tegangan sekunder 120 V atau 240 V. Transformator pembumian harus mempunyai ketahanan terhadap tegangan lebih untuk menghindari saturasi jika generator bekerja pada tegangan yang lebih tinggi dari rating tegangannya. Resistor yang dihubungkan pada belitan sekunder harus dipilih sedemikian rupa agar arus gangguan tanah (I f ) yang datang dari transformator distribusi sama atau lebih besar dari arus gangguan tanah yang datang dari kapasitansi shunt sistem (I cf ). Biasanya arus dari transformator distribusi di atur agar sama dengan arus kapasitansi shunt sistem. Arus gangguan yang mengalir melalui kapasitansi shunt (I cf ) adalah : I cf = (3.7)
Arus gangguan yang melalui resistor transformator distribusi adalah : I r = (3.8) Dengan : N = (3.9) Nilai ohmic dari resistor agar memenuhi syarat I cf = I r adalah : R sec = (3.10) Jika resitor yang dipilih memenuhi spesifikasi ini, maka arus gangguan yang muncul biasanya akan bernilai 5 15 A. III.2.5 Pembumian melalui kumparan peterson Metode ini mempunyai skema yang sama dengan pembumian dengan tahanan tinggi, kecuali reaktor yang dapat diatur nilainya yang dipasang pada sekunder trafo. III.2.6 Pembumian melalui tahanan rendah Titik netral generator dihubungkan ke tanah melalui sebuah tahanan yang berfungsi untuk membatasi arus gangguan tanah sampai beberapa ratus ampere (200-600 A). Arus gangguan ini sangat besar dan dapat merusak stator, namun pada saat yang sama, arus ini cukup besar sehingga dapat dirasakan oleh rele sehingga didapat sistem proteksi yang handal dan selektif. Sistem pembumian melalui tahanan rendah jarang digunakan sekarang karena besarnya resiko kebakaran stator generator akibat besarnya arus yang mengalir saat
gangguan. Namun, sistem pembumian ini paling sering digunakan untuk industri yang menggunakan tegangan menengah. Karakteristik pembumian melalui tahanan rendah adalah : a. Pemutusan akibat gangguan dapat dilakukan, b. Memperkecil tegangan lebih transient akibat gangguan busur tanah, c. Memperkecil kerusakan pada titik gangguan. III.3 Gangguan Tanah Pada Stator Gangguan hubung singkat ke tanah merupakan gangguan yang umum terjadi pada suatu generator. Gangguan ini dapat disebabkan oleh penuaan isolasi pada belitan karena pengaruh lingkungan seperti kelembapan, minyak yang bercampur dengan debu yang terdapat pada permukaan luar slot stator. Hal ini dapat menyebabkan peluahan pada bagian ujung belitan sehingga terhubung ke tanah. Jenis gangguan yang mungkin terjadi adalah : a. Hubung singkat fasa ke tanah b. Hubung singkat fasa ke fasa c. Hubung singkat inter turn Arus gangguan hubung singkat fasa ke tanah diminimalisasi oleh tahanan pembumian generator tersebut. Di antara ketiga jenis gangguan di atas, gangguan yang mempunyai kemungkinan muncul terbesar adalah gangguan fasa ke tanah. Isolasi diantara dua fasa minimal dua kali lebih tebal daripada isolasi antara belitan ke inti besi, sehingga kemungkinan terjadinya hubung singkat antar fasa sangat kecil. Gangguan inter
turn muncul karena adanya arus surja. Namun gelombang surja ini telah dipotong di lightning arrester sebelum mencapai generator. Generator harus diproteksi dari gangguan hubung tanah stator karena dua hal yaitu : 1. Sebagai sebuah gangguan tentunya fenomena tersebut merupakan kondisi tidak normal dalam kinerja mesin yang menyebabkan hal hal yang tidak diinginkan dalam besaran tegangan, arus, osilasi, dan kerusakan. 2. Gangguan tanah yang tidak terdeteksi dan tidak ditangani dengan baik dapat berkembang menjadi gangguan fasa ke fasa atau menjadi gangguan antar lilitan. Gangguan fasa ke fasa terjadi jika gangguan fasa ke tanah yang lain terjadi. Dan gangguan ini akan menimbulkan arus hubung singkat yang besar dapat merusak generator. yaitu : Terdapat dua kemungkinan pada generator apabila terjadi gangguan pada stator, 1. Terjadi gangguan satu fasa ke tanah pada stator 2. Setelah hubung singkat ke tanah yang pertama terjadi, kemudian muncul hubung singkat kedua pada fasa yang sama atau berbeda dan akhirnya menimbulkan hubung singkat antara dua titik pada belitan stator. Tegangan lebih akibat ganguan Pada sistem yang tidak dibumikan, arus gangguan tanah sangat kecil. Arus ini hanya mengalir melalui kapasitansi sistem ke tanah sehingga tidak akan menyebabkan kerusakan. Namun, sistem yang tidak dibumikan tidak dapat diterapkan karena kapasitansi tersebut dapat menimbulkan kerusakan akibat adanya tegangan lebih.
Syarat utama dari suatu sistem pembumian adalah untuk membatasi tegangan lebih yang muncul pada saat gangguan agar tidak merusak peralatan. Tegangan lebih yang terjadi dapat berupa keadaan steady state dan transient. Tegangan lebih steady state disebabkan oleh gangguan hubung singkat ke tanah. Sedangkan tegangan lebih transient disebabkan oleh arcing ground. Besar tegangan lebih yang terjadi tergantung dari impedansi ke tanah. Jika netral generator dibumikan secara langsung, impedansi yang rendah akan mengakibatkan arus gangguan yang sangat besar. Namun sistem ini dapat mencegah terjadinya tegangan lebih yang terlalu besar. Impedansi tambahan pada sistem pembumian akan membatasi arus gangguan, namun juga harus mempertimbangkan tegangan lebih yang mungkin muncul sehingga tidak membahayakan peralatan. Tegangan lebih steady state akan muncul pada fasa yang tidak terganggu saat terjadi gangguan tanah. Tegangan pada fasa yang sehat merupakan gabungan dari tegangan fasa dan pergeseran titik netral. Gambar 3.5 Tegangan pada saat terjadi gangguan Gambar 3.5(a) menunjukkan tegangan fasa ke tanah pada saat kondisi normal. Pada sistem yang tidak dibumikan dan dibumikan melalui impedansi tinggi, pergeseran titik netral akibat gangguan hampir sama dengan tegangan fasa yang terganggu seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5(b). Dan Gambar 3.5(c) menunjukkan tegangan lebih yang
rendah dan hanya sedikit pergeseran pada titik netral. Hal ini terjadi pada sistem yang dibumikan melalui impedansi rendah. Kerusakan inti akibat hubung singkat ke tanah Hubung singkat ke tanah pada belitan stator merupakan salah satu perhatian utama pada proteksi generator. Gangguan tanah pada stator mengakibatkan perlunya pergantian kumparan yang rusak, dan hal ini membutuhkan biaya yang besar. Jika terjadi busur api pada titik gangguan maka akan mengakibatkan kebakaran yang serius pada laminasi inti stator. Rusaknya isolasi akan mengakibatkan hubung singkat antar laminasi dan arus yang terjadi akan mengakibatkan pemanasan lokal pada titik gangguan selama operasi normal. Dan akan diikuti oleh kerusakan lainnya, sehingga akan berakhir dengan kegagalan seluruh isolasi stator. Biaya perbaikan akan semakin mahal dan membutuhkan waktu yang semakin lama. Gangguan ini terjadi akibat kegagalan isolasi akibat penuaan dan gangguan mekanis seperti getaran. Gangguan tanah yang terjadi terdiri dari dua jenis yaitu : 1. Arus gangguan mengalir dari kumparan yang terganggu ke inti melalui kontak langsung atau melalui isolasi yang mengalami kerusakan. 2. Arus gangguan mengalir melalui busur gangguan. III.3.1 Gangguan Satu Fasa ke Tanah Untuk menjelaskan besar kerusakan yang timbul pada generator saat terjadi sebuah hubung singkat ke tanah pada stator, kita memisalkan sebuah generator yang netralnya dibumikan melalui sebuah resitor dan generator ini terhubung ke sebuah bus saluran
melalui sebuah Pemutus Tenaga (PMT). Jika hubung singkat ke tanah muncul pada terminal generator, maka akan terdapat dua jenis arus gangguan yaitu arus yang mengalir dari luar menuju kedalam generator dan arus yang berasal dari generator itu sendiri. Arus gangguan total merupakan penjumlahan dari kedua arus ini, dan besarnya kerusakan yang timbul di dalam generator sebanding dengan energi yang timbul pada titik busur gangguan, yaitu sebesar : Damage = α. Joule (3.11) dimana : T f : waktu selama arus gangguan muncul Kerusakan akibat arus yang mengalir dari luar generator Gangguan pada stator dirasakan oleh sistem proteksi stator tanpa adanya tundaan waktu, atau dalam satu siklus tundaaan. Misalkan PMT pada generator mempunyai waktu kerja selama 5 siklus. Sehingga arus muncul pada stator selama 6 siklus ( pada sistem 60 Hz adalah kurang lebih selama 0,1 detik). Jadi kita dapat menentukan kerusakan yang timbul pada generator akibat arus yang berasal dari luar dengan menggunakan persamaan (3.11). Kerusakan akibat arus yang mengalir dari dalam generator Ketika PMT pada generator membuka / trip, arus gangguan yang mengalir pada generator tidak dapat dihilangkan karena masih terdapatnya medan penguat. Dan arus penguatan (eksitasi) ini akan berkurang setelah τdetik. τadalah konstanta waktu hubung singkat satu fasa ketanah dan berbeda besarnya pada tiap generator, namun mempunyai nilai antara 0,8 1,1 s.
Sehingga, lamanya waktu yang diperlukan untuk menghilangkan arus eksitasi di dalam generator dapat dituliskan sebagai persamaan berikut : Damage = α. [ I. ] k dt Joule (3.12) Pada keadaan ini, waktu integrasinya akan jauh lebih lama, sehingga kerusakan (energi) yang timbul pada generator akan jauh lebih besar. Hal ini disebabkan arus gangguan akan terus mengalir sampai medan penguat generator hilang. Dari kedua persamaan di atas dapat dilihat bahwa sebagian besar kerusakan pada generator disebabkan oleh arus yang berasal dari dalam generator itu sendiri dan satu satunya cara untuk menghindari kerusakan yang serius adalah dengan mengurangi besarnya arus gangguan tanah yang timbul. Salah satu cara yang sering digunakan untuk mengurangi arus gangguan adalah dengan melakukan pembumian pada titik netral generator. III.3.2 Gangguan fasa ke fasa Apabila generator dengan sistem pembumian tahanan tinggi (melalui resistor atau transformator distribusi) mengalami gangguan satu fasa ke tanah. Arus gangguan yang mengalir tidak cukup besar untuk merusak inti besi, karena arus gangguan yang mengalir akan dibatasi oleh resistor pembumian. Namun, terdapat kemungkinan munculnya gangguan fasa ke fasa,hal ini terjadi jika gangguan fasa ke tanah lainnya muncul, dan ini menimbulkan arus gangguan yang sangat besar. Gangguan fasa fasa juga akan terjadi jika gangguan fasa ke tanah yang mula mula muncul dekat dengan netral generator dan diikuti oleh gangguan fasa ke tanah lainnya yang muncul pada salah satu fasa generator tersebut.
Arus akibat gangguan ini cukup besar untuk menimbulkan kerusakan serius pada generator. Arus ini tidak dapat dihilangkan meskipun generator telah diputus dari sistem, hal ini terjadi karena masih adanya sisa arus medan (eksitasi). Generator harus dilindungi dari kemungkinan seperti ini karena akibatnya sangat berbahaya bagi generator. Cara terbaik untuk mencegah hal ini adalah ketika hubung singkat fasa ke tanah yang pertama muncul, maka proteksi stator harus mampu mendeteksi dan mengirimkan sinyal ke PMT agar generator segera dimatikan atau diisolir dari sistem, sebelum hubung singkat lainnya muncul. III.4 Proteksi Gangguan Hubung Singkat ke Tanah Ketika gangguan tanah muncul pada sebuah generator, sistem proteksi harus dapat mendeteksi gangguan tersebut dan generator harus segera dimatikan. Namun, sistem proteksi internal ini harus dikoordinasikan dengan sistem proteksi di dekatnya. Jika gangguan tanah muncul di luar generator, sistem proteksi internal tidak boleh bekerja. Sistem proteksi gangguan hubung tanah generator berkaitan langsung dengan sistem pembumian yang dipakai generator tersebut. Jadi metode yang digunakan juga bermacam macam tergantung dari jenis pembumiannya. Pada metode pembumian dengan tahanan tinggi, rele yang dipakai adalah yang mempunyai sensitivitas tinggi dan waktu operasi yang lambat, karena arus gangguan cukup kecil sehingga tidak membahayakan bagi generator. Pada pembumian dengan tahanan rendah, rele yang digunakan harus mempunyai waktu operasi yang cepat dan tidak perlu terlalu sensitif, karena arus gangguan sangat besar dan membahayakan bagi generator.
III.4.1 Metode Proteksi Tegangan Lebih Netral Metode ini biasanya dipakai pada sistem pembumian tahanan tinggi. Proteksi dapat diperoleh dengan menghubungkan rele tegangan lebih waktu terbalik yang sensitif pada resistor atau reaktor pembumian di sekunder transformator distribusi. Rele ini merasakan tegangan V o. Ketika hubung singkat ke tanah muncul, tegangan fasa netral generator akan terasa pada primer trafo distribusi. Tegangan pada rele adalah fungsi dari turn ratio transformator dan tegangan maksimum akan dirasakan rele jika gangguan terjadi di terminal generator. Untuk gangguan di belitan stator, tegangan pada rele akan semakin kecil jika gangguan makin dekat ke netral. Pada pembumian tahanan tinggi, setting tegangan untuk rele 59GN adalah 6 V untuk tegangan sekunder trafo sebesar 120 V (dan 12 V untuk tegangan sekunder trafo sebesar 240 V). Misal belitan primer transformator distribusi mempunyi rating yang sama dengan tegangan fasa netral generator dan tegangan belitan sekundernya 120 V. Rele akan mendeteksi tegangan sebesar 120 V jika gangguan terjadi pada terminal generator. Distribusi tegangan sepanjang belitan stator adalah linear, sehingga rele yang diset pada tegangan 6 V tidak dapat merasakan 6V/120V atau 5% bagian ujung netral generator.
Gambar 3.6 Metode proteksi tegangan lebih netral generator III.4.2 Skema Proteksi Tegangan Lebih Delta Terbuka Skema proteksi ini dibuat dengan menghubungkan rele 59GN pada resistor pembumian di dalam rangkaian delta terbuka. Tegangan pada rele adalah 3V 0. Prinsip kerjanya hampir sama dengan menggunakan trafo distribusi. Sistem ini dapat digunakan sebagai proteksi alternatif atau cadangan dari proteksi utama di atas. Gambar 3.7 Skema proteksi tegangan lebih delta terbuka Rangkaian delta terbuka menyebabkan adanya penjumlahan vektor tegangan fasa pada rele 59GN dan nilainya ekuivalen dengan 3V 0. V r = (V a + V b + V c ) = 3V 0 (3.13)
III.4.3 Proteksi Tegangan Lebih Rangkaian Urutan Nol Proteksi stator yang paling konvensional dan umum digunakan adalah dengan menggunakan metode tegangan lebih rangkaian urutan nol. Metode ini cocok digunakan pada generator yang mempunyai sistem pentanahan dengan tahanan tinggi. Metode ini menggunakan rele arus lebih yang mempunyai tundaan waktu dan bekerja pada frekuensi nominal. Rele ini tidak sensitif terhadap tegangan harmonisa ketiga yang ada pada netral generator. Metode ini mampu mendeteksi gangguan sampai 2-5% bagian stator yang paling dekat ke netral. Sebuah rele arus lebih waktu dapat digunakan sebagai proteksi cadangan. III.4.4 Skema Proteksi Arus Lebih Gambar 3.8. Proteksi tegangan lebih rangkaian urutan nol Skema ini dapat diterapkan pada sistem yang dibumikan melalui tahanan tinggi. Rasio fasa CT dipilih berdasarkan arus beban penuh generator, arus ini cukup besar jika
dibandingkan dengan arus gangguan tanah. Arus gangguan tanah pada sistem pembumian tahanan tinggi hanya berkisar antara 5-10 A. Arus yang mengalir pada sekunder CT hanya bernilai beberapa milli ampere. Rele harus disetting agar dapat bekerja pada arus sekecil ini. Agar didapat sensitivitas untuk arus yang kecil, digunakan tiga jenis rangkaian proteksi seperti pada Gambar (3.9). Gambar 3.9(a) menunjukkan pemakaian window CT untuk menyuplai rele. Pada aplikasi ini, keseluruhan konduktor tiga fasa dilewatkan melalui sebuah CT, sehingga fluks yang dihasilkan oleh arus pada tiap penghantar terakumulasi pada inti CT. Arus pada sekunder CT menjadi sebesar 3I 0. Karena window CT tidak melewatkan arus yang seimbang, pemilihan rasio CT tidak tergantung kepada beban. Biasanya rasio yang dipakai adalah 50/5. Skema pada Gambar 3.9(b) dapt digunakan sebagai cadangan untuk rele 59GN. Rasio CT dipilih agar arus yang mengalir pada rele sesuai. Pada sistem yang dibumikan melalui tahanan tinggi, arus rele dapat dipilih kira kira sebesar arus gangguan.
Gambar 3.9 Metode arus lebih tanah III.4.5 Proteksi Sistem Pembumian Melalui Tahanan rendah Pada sistem pembumian tahanan rendah, arus gangguan tanah dapat berkisar dari 100 A sampai sebesar arus hubung singkat tiga fasanya. Arus sebesar ini dapat digunakan untuk metode proteksi arus lebih. Konfigurasi dari proteksi ini ditentukan oleh besarnya setting arus gangguan yang dipilih. Pada range arus yang rendah, rangkaian pada Gambar 3.9 (a) dan (b) dapat dipakai. Namun untuk penggunaan window CT dibatasi oleh adanya saturasi akibat arus gangguan yang besar. Skema 3.9 (c) dapat dipakai pada semua range arus. Rasio CT dipilih agar mampu menyediakan arus sekunder antara 10 20 A pada keadaan arus gangguan maksimum. CT harus mampu menyediakan tegangan sekunder yang cukup untuk rele tanpa mengalami saturasi yang berlebihan.
BAB IV PROTEKSI GANGGUAN HUBUNG TANAH PADA STATOR GENERATOR DENGAN MENGGUNAKAN METODE TEGANGAN HARMONISA KETIGA IV.1 Prinsip Kerja Proteksi menggunakan metode tegangan harmonisa ketiga memanfaatkan tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan secara natural oleh semua generator. Tegangan output generator tidak merupakan gelombang sinus murni, namun terdistorsi oleh tegangan harmonisa. Dari semua harmonisa yang ada, terdapat harmonisa kelipatan tiga (triplen) yaitu harmonisa ke 3, 9,15 dan seterusnya. Komponen triplen muncul dengan besar dan urutan fasa yang sama pada tiap fasanya. Sehingga harmonisa ini tidak saling meniadakan jika dijumlahkan disebabkan kesamaan urutan fasanya. Komponen ini muncul pada terminal netral generator sebagai besaran urutan nol (zero sequence quantity). Tegangan harmonisa ketiga merupakan komponen terbesar dibandingkan tegangan harmonisa lainnya. Prinsip kerja dari metode ini adalah berdasarkan pengukuran tegangan harmonisa ketiga yang terdapat pada netral, terminal atau pada keduanya. Tegangan yang diukur adalah tegangan harmonisa ketiga antara kedua titik di atas dan tanah. Tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan oleh generator muncul pada kedua ujung belitan stator dan berbeda beda besarnya tergantung dari desain dan pembebanan generator tersebut. Dalam kondisi normal, karakteristik tegangan harmonisa ketiga pada belitan stator adalah seperti Gambar (4.1) berikut:
Gambar (4.1) Karakteristik tegangan harmonisa ketiga pada kondisi normal Tegangan harmonisa terdistribusi sepanjang belitan stator. Besar tegangan pada netral dan terminal generator dipengaruhi oleh besarnya kapasitansi ke tanah pada belitan stator dan kapasitansi sistem luar yang dekat dengan generator. Selain itu, besar tegangan harmonisa generator juga dipengaruhi oleh pembebanan. Pada Gambar (4.1) dapat kita lihat bahwa tegangan harmonisa pada kondisi beban penuh lebih besar daripada tegangan harmonisa beban nol. Ketika gangguan hubung singkat ke tanah muncul di dekat titik netral generator sinkron, tegangan harmonisa ketiga akan naik dan bernilai sama dengan total harmonisa ketiga yang dihasilkan generator. Sedangkan tegangan harmonisa ketiga di titik netral akan turun menjadi nol. Tegangan harmonisa ini akan semakin besar jika semakin dekat dengan terminal generator seperti Gambar (4.2) berikut :
Gambar 4.2 Tegangan harmonisa ketiga saat gangguan berada di titik netral Saat gangguan terjadi di titik terminal generator maka tegangan harmonisa ketiga di terminal turun menjadi nol dan tegangan harmonisa ketiga di titik netral meningkat hingga sebesar total semua tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan generator. Karakteristiknya adalah sebagai berikut : Gambar 4.3 Karakteristik tegangan harmonisa ketiga saat gangguan di titik terminal Berdasarkan karakteristik di atas dapat didesain tiga skema utama sistem proteksi stator generator menggunakan metode tegangan harmonisa ketiga, yaitu skema teganganlebih, skema tegangan-kurang dan skema rasio tegangan. Pembagian skema ini didasarkan pada tempat dimana tegangan akan diukur yaitu apakah di terminal, di netral atau pada keduanya (netral dan terminal). Ketiga skema tersebut menggunakan rele yang
disetel pada frekuensi harmonisa ketiga dan juga menggunakan rele standar tegangan lebih yang distel pada frekuensi dasar. IV.1.1 Metode Proteksi Umum Generator biasanya dibumikan melalui transformator pembumian dengan sebuah resistor. Biasanya netral dari transformator tegangan dibumikan secara langsung. Pada Gambar (4.4) kita lihat terdapat sebuah rele yang diparalelkan dengan resistor. Rele ini adalah rele tegangan lebih standar dengan frekuensi dasar (fundamental). Rele ini disetel agar dapat memproteksi belitan stator mulai dari titik terminal sampai maksimal 5% dekat titik netral generator. Sisa 5% belitan generator yang terdekat ke netral harus diproteksi dengan rele tegangan harmonisa ketiga. Gambar 4.4 Proteksi gangguan tanah stator dengan rele tegangan lebih IV.1.2 Proteksi Menggunakan tegangan Harmonisa Ketiga Metode Proteksi Menggunakan metode tegangan harmonisa ketiga dapat dilakukan dengan tiga cara yang berbeda. Perubahan besar tegangan harmonisa ketiga pada generator akibat adanya gangguan hubung tanah stator dapat diukur di netral generator, Terminal Generator, maupun di kedua tempat tersebut dan kemudian dibandingkan.
IV.1.2.1 Metode Tegangan Kurang Pada metode ini, kita akan mengukur tegangan harmonisa ketiga yang terdapaat pada netral. Rangkaian proteksi metode tegangan kurang ini adalah seperti Gambar (4.5) berikut Gambar (4.5) Metode Proteksi Tegangan Kurang Dapat kita lihat bahwa rele 27H digunakan untuk mendeteksi tegangan harmonisa ketiga (150Hz) dan rele 59GN digunakan untuk mendeteksi tegangan yang mempunyai frekuensi dasar yaitu 50 Hz. Kedua rele ini sama sama mengukur tegangan di netral generator pada saat gangguan terjadi. Rele 59GN melindungi bagian 0-95% dari belitan stator sedangkan rele 27H melindungi 5% belitan yang terdekat ke netral. Sehingga apabila kedua rele ini bekerja bersama - sama, akan dapat melindungi keseluruhan belitan stator. Rele 27H harus diatur agar tegangan pick up nya cukup rendah untuk menghindari bekerjanya rele pada saat keadaan normal dimana tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan realtif rendah. Namun, tegangan pick up ini harus cukup tinggi agar dapat
mendeteksi gangguan yang tidak dapat dirasakan oleh rele 59GN pada saat keadaan tegangan harmonisa ketiga maksimum. IV.1.2.2 Metode Tegangan Lebih Pada metode tegangan lebih ini, kita akan mengukur tegangan harmonisa ketiga pada terminal generator. Rele 59T akan mendeteksi kenaikan tegangan harmonisa ketiga di terminal saat terjadi gangguan di dekat netral generator. Tegangan pick up rele 59T ini harus diatur agar lebih besar dari tegangan harmonisa ketiga saat kondisi normal. Namun disaat yang sama harus lebih kecil dari tegangan minimum yang dihasilkan saat terjadi gangguan dekat dengan titik netral. Gambar (4.6) Metode proteksi tegangan lebih IV.1.2.3 Metode Rasio Tegangan Tegangan harmonisa ketiga akan diukur pada kedua ujung belitan, yaitu pada netral dan terminal generator. Kedua tegangan ini akan dibandingkan dan didapatkan rasio perbandingannya.
Metode proteksi rasio tegangan ini lebih baik dibandingkan kedua metode di atas, karena seringkali sulit dalam menentukan setting pick up baik pada metode tegangan kurang maupun metode tegangan lebih. Hal ini terjadi karena adanya variasi tegangan harmonisa ketiga saat kondisi beban yang berbeda beda. Pada kondisi beban nol dan beban ringan, tegangan harmonisa ketiga relatif kecil jika dibandingkan dengan saat generator bekerja dengan beban penuh. Variasi tegangan ini dapat diatasi dengan rasio tegangan, karena rasio tegangan harmonisa ketiga di netral dan terminal relatif sama untuk semua kondisi pembebanan generator. Gambar (4.7) Metode Proteksi Rasio Tegangan IV.2 Tegangan Harmonisa Ketiga Generator Untuk dapat melakukan simulasi metode tegangan harmonisa ketiga, kita harus mengetahui terlebih rangkaian ekivalen generator berdasarkan tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkannya. Sehingga perlu dibuat beberapa asumsi untuk memperoleh model rangkaian yang sesuai.
Generator akan dimodelkan sebagai berikut Masing masing fasa terdiri dari satu reaktansi sinkron (X d ), transient (X d ), dan reaktansi subtransient (X d ). Kapasitansi antara belitan stator ke tanah dimodelkan sebagai sebuah kapasitor pada tiap fasa dan terletak setelah reaktansi. Tegangan harmonisa ketiga per fasa dimodelkan sebagai E 3, yaitu keseluruhan tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan oleh belitan stator. Tegangan ini sama besar dan sudut fasanya pada ketiga fasa generator. Bus yang menghubungkan generator dengan transformator step up, kapasitor surja, dan transformator step up masing masing dimodelkan sebagai sebuah kapasitor karena yang berpengaruh hanya kapasitansi ke tanahnya. Transformator pembumian dimodelkan sebagai sebuah resistor R N di netral generator. Dari asumsi di atas, kita dapat membuat rangkaian ekivalen generator seperti Gambar (4.8) berikut. Gambar (4.8) Rangkaian ekivalen untuk tegangan harmonisa generator
IV.2.1 Nilai konstanta Generator Untuk pemodelan dan simulasi, kita menggunakan data generator Mitsubishi unit 7 pada PLTU Suralaya dengan data sebagai berikut : Tabel 4.1 Data name plate generator unit 7 PLTU Suralaya Serial Number Daya Tegangan Nominal Arus 93AS1601 767.000 Kva 23.000 V 19.293 A Faktor Daya 0,85 Frekuensi 50 Hz Phasa 3 Putaran Nominal 3000 rpm Reaktansi Subtransient* 23,6 % Reaktansi Urutan negatif* 23,5 % Reaktansi Urutan nol* 13,3 % Tahanan Pembumian 1586 Ω Kapasitansi Stator ke Tanah 0,727 µf Kapasitansi Bus (per fasa) ke Tanah 0,0406 µf Kapasitansi Kapasitor Surja ke Tanah 0,25 µf Kapasitansi Transformator ke Tanah 0,286 µf Tegangan harmonisa ketiga saat kondisi beban nol ± 1,3% tegangan fasa - netral *Persentase reaktansi didasarkan pada rating generator 767 MVA
IV.2.2 Tegangan Harmonisa Ketiga Tegangan harmonisa ketiga pada sebuah generator tergantung dari desain generator tersebut dan tegangan ini dapat bervariasi, tergantung dari kondisi pembebanan generator. Untuk menganalisa besarnya tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan oleh generator, maka kita harus menganalisa tiga kemungkinan pembebanan yang terjadi. Yaitu beban nol, beban ringan, dan beban penuh. Tegangan harmonisa ketiga pada saat beban ringan merupakan tegangan minimum yang dihasilkan sedangkan tegangan harmonisa ketiga pada kondisi beban penuh merupakan tegangan maksimum. Pada paper R. L. Schalke (1981), disebutkan bahwa tegangan harmonisa ketiga pada saat berbeban ringan adalah kira kira sebesar 57% dari tegangan harmonisa beban nol, dan tegangan harmonisa ketiga pada beban penuh adalah 200% dari tegangan harmonisa beban nol. Kita dapat menghitung nilai tegangan harmonisa saat beban nol yaitu sebesar : = 172,6 Volt Dan tegangan harmonisa ketiga saat beban ringan dan beban penuh adalah : = = 99 Volt = 346 Volt
Tabel 4.2 Tegangan harmonisa ketiga pada berbagai kondisi pembebanan Kondisi Pembebanan Beban nol Beban ringan Beban penuh Tegangan Harmonisa Ketiga 172,6 V 99 V 346 V Nilai pada Tabel (4.2) akan kita pakai sebagai acuan besar tegangan harmonisa ketiga pada berbagai pembebanan generator. IV.3 Rangkaian Ekuivalen Rangkaian ekivalen untuk simulasi karakteristik tegangan harmonisa ketiga dapat kita bagi menjadi dua. Pertama, kondisi normal (tidak ada gangguan) dan yang kedua adalah saat kondisi gangguan. IV.3.1 Rangkaian Ekivalen Kondisi Normal Rangkaian ekivalen tegangan harmonisa ketiga dan kapasitansi ke tanah pada generator adalah seperti pada Gambar 4.9. rangkaian ini dibuat berdasarkan beberapa penyederhanaan agar lebih mudah menganalisanya. Penyederhanaan tersebut adalah sebagai berikut : Tegangan harmonisa ketiga terdistribusi secara merata sepanjang permukaan stator dan besarnya tergantung kepada pembebanan generator, tegangan ini dimisalkan dengan sebuah sumber tegangan AC yang mempunyai frekuensi 150 Hz.
Kapasitansi generator terdistribusi secara merata sepanjang stator dan dimisalkan dengan dua buah kapasitor yang dibumikan, satu terletak sebelum sumber AC dan satu lagi terletak sesudahnya. Induktansi seri dari belitan diabaikan. Rangkaian ekivalen untuk kondisi tanpa gangguan berdasarkan asumsi diatas dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar (4.9) Rangkaian ekivalen kondisi normal Keterangan : E 3 = Tegangan harmonisa ketiga yang dibangkitkan C g = Kapasitansi belitan stator ke tanah C p = Kapasitansi dari Sistem luar dilihat dari sisi generator R n = Tahanan Pembumian
IV.3.2 Rangkaian Ekivalen Kondisi Gangguan Rangkaian ekivalen generator pada saat gangguan adalah seperti pada Gambar (4.10). Untuk fasa yang sehat, rangkaian ekivalennya sama dengan Gambar (4.9). Kita melakukan beberapa penyederhanaan untuk fasa yang mengalami gangguan dengan asumsi sebagai berikut : Tegangan harmonisa ketiga pada fasa yang terganggu dimisalkan sebagai dua sumber tegangan AC, yang pertama terletak antara titik netral dan titik gangguan (E 3n ) dan yang kedua terletak antara titik gangguan dan terminal generator (E 3t ). Kapasitansi generator ke tanah dimisalkan dengan dua buah kapasitor untuk masing masing satu sumber tegangan AC. Sumber tegangan AC dan kapasitansi ke tanah merupakan fungsi jarak titik gangguan dari netral. Keterangan : E 3n dan E 3t : Tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan belitan stator antara netral generator dan titik gangguan K, dan antara titik gangguan dengan terminal generator Cg CP C n dan C t : Kapasitansi belitan stator ke tanah : Kapasitansi dari sistem luar dilihat dari sisi generator : Kapasitansi belitan stator ke tanah antara titik netral dengan titik gangguan K, dan antara titik gangguan dengan terminal generator Rn Rf : Tahanan Pembumian : tahanan gangguan
Gambar (4.10) Rangkaian ekivalen kondisi gangguan Parameter E 3n dan E 3t adalah sebagai berikut : E 3n = K x E 3 (4.1) E 3t = (1 K ) x E 3 (4.2) C n dan C t juga merupakan fungsi dari jarak gangguan yaitu : C n = K x C stator (4.3) C t = (1 K ) x C stator (4.4) Dimana K adalah jarak lokasi gangguan dari titik netral generator K = 0, 0,1...,1. IV.3.3 Persamaan Matematis Tegangan harmonisa ketiga muncul sebagai besaran urutan nol, sehingga untuk menganalisa distribusi tegangan harmonisa ketiga kita perlu menganalisa rangkaian
urutan nol generator. Tegangan ini akan tersebar pada terminal dan impedansi shunt dari netral generator berdasarkan rangkaian ekivalen urutan nol generator. Gambar (4.11) Rangkaian urutan nol Pada Gambar (4.11) diketahui nilai Zg ekivalen dengan tahanan pembumian generator yaitu sebesar 1586 Ω. Kapasitansi sisi netral (C on ) adalah setengah dari kapasitansi total belitan stator (X cs /2), dan kapasitansi sisi terminal (C ot ) sebesar setengah kapasitansi belitan stator ditambah kapasitansi eksternal (X cs /2 + C t ). Nilai C on dan C ot dapat dihitung dari konstanta generator : C on = C generator = 0,5 x 0,727.10-6 = 0,3635. 10-6 F C ot = C generator + C bus + C trafo + C CB = 0,3635. 10-6 + 0,5766. 10-6 = 0,9401. 10-6 F Reaktansi kapasitifnya sebesar : X on = -j =-j = -j 2918,9 Ω X ot = -j = -j = -j 1128,6 Ω Dimana f 3 adalah frekuensi harmonisa ketiga, yaitu sebesar 150 Hz.
Impedansi sisi netral adalah gabungan paralel dari X on dan 3R n yaitu sebesar : Z on = = = 1300,8 j2121 berikut. Distribusi tegangan harmonisa saat kondisi tidak berbeban dapat dihitung sebagai Tegangan pada sisi netral generator : V on = V o x 173 x 122,98-170,3 V Tegangan pada sisi terminal generator : V ot = V o x = 173 x 55,78 21,81 V V 0 : tegangan harmonisa ketiga saat tidak berbeban (173 Volt). Distribusi tegangan harmonisa ketiga saat generator berbeban ringan adalah : Tegangan pada sisi netral generator : V on = V o x 99 x 69,25-170,3 V Tegangan pada sisi terminal generator : V ot = V o x = 99 x 31,92 21,81 V V 0 : tegangan harmonisa ketiga saat beban ringan (99 Volt).
Distribusi tegangan harmonisa ketiga saat generator berbeban penuh adalah : Tegangan pada sisi netral generator : V on = V o x 346 x 245,99-170,3 V Tegangan pada sisi terminal generator : V ot = V o x = 346 x 111,65 21,81 V V 0 : tegangan harmonisa ketiga saat beban penuh (346 Volt). Tabel (4.3) Distribusi tegangan harmonisa ketiga V o (Volt) V on (Volt) V ot (Volt) Tidak berbeban 173 122,98-170,3 55,78 21,81 Beban ringan 99 69,25-170,3 31,92 21,81 Beban Penuh 346 245,99-170,3 111,65 21,81 Dari tabel distribusi tegangan harmonisa di atas, kita dapat membandingkan nilai tegangan harmonisa di netral dan terminal pada kondisi pembebanan tertentu. Nilai perbandingan ini kita sebut rasio. Rasio tegangan ini yang akan dipakai pada salah satu metode yang akan kita bahas. Persamaan (4.5) dan (4.6) menunjukkan cara menghitung rasio tegangan. Rasio = (4.5) Atau
Rasio = (4.6) Rasio tegangan yang kita dapat dengan menggunakan persamaan (4.5) adalah konstan sebesar 0,68 dan dengan menggunakan persamaan (4.6) didapat sebesar 0,46. Rasio ini konstan untuk semua jenis pembebanan generator. Sehingga kita dapat mengambil kesimpulan bahwa rasio tegangan tidak dipengaruhi oleh pembebanan generator. Setelah mendapatkan besarnya tegangan harmonisa pada netral dan terminal, kita akan menganalisa fasa yang mengalami hubung singkat ke tanah. Rangkaian ekivalennya dapat dilihat pada Gambar (4.12). Gambar (4.12) Rangkaian ekivalen fasa yang terganggu Pada rangkaian ekivalen di atas, kita bagi kapasitansi belitan menjadi dua yaitu bagian ujung netral (C n ) dan ujung terminal (C t ). Hubung singkat ke tanah kita anggap melalui tahanan gangguan (R f ). Hal ini dilakukan agar mempermudah perhitungan. Dari rangkaian ekivalen tersebut kita mendapatkan persamaan sebagai berikut : Vn + E 3n = (I 1 I 2 ) x R F (4.7) (I 2 I 1 ) x R F + E 3t = V t (4.8) Dimana,
I 1 = (4.9) Dengan menggabungkan persamaan (4.1) sampai (4.9) kita mendapatkan persamaan tegangan harmonisa ketiga pada sisi netral dan generator sebesar : V n = K x E 3 x = K x E 3 x (4.10) V t = ((1 K ) x E 3 ) - (4.11) E 3 adalah tegangan harmonisa ketiga pada generator dan f 3 adalah frekuensi harmonisa ketiga yaitu sebesar 150 Hz. Tegangan harmonisa pada saat gangguan dipengaruhi oleh jarak gangguan (K) dan tahanan gangguan (R F ). IV.4 Simulasi Menggunakan Matlab Simulink Simulasi kita lakukan pada dua keadaan, yaitu keadaan normal dan keadaan gangguan. Pada simulasi keadaaan gangguan, kita akan menggunakan jarak gangguan dan tahanan gangguan sebagai parameter utama simulasi. Letak titik gangguan mempengaruhi distribusi kapasitansi sepanjang belitan stator sehingga mempengaruhi distribusi tegangan harmonisa ketiga (Gambar 4.2 dan 4.3). Letak titik gangguan kita simulasikan sebagai fungsi jarak dari titik netral. Jarak ini adalah 0%, 10%, 20%, 30%,..., 100% dari netral generator. Tahanan gangguan dipakai sebagai parameter simulasi karena gangguan yang terjadi pada stator dapat berupa kontak langsung atau melalui busur api. Gangguan melalui kontak langsung mempunyai tahanan gangguan yang sangat kecil, sedangkan gangguan
melalui busur api mempunyai tahanan gangguan yang besar. Tahanan gangguan akan kita variasikan sebesar 1Ω, 10Ω, 100Ω, 1 kω, 10 kω, 100 kω. IV.4.1 Simulasi Pada Keadaan Normal Simulasi pada keadaan normal dilakukan untuk mendapatkan distribusi tegangan harmonisa ketiga pada terminal dan titik netral generator. Model rangkaian untuk simulasi adalah sama persis dengan rangkaian urutan nol pada Gambar (4.11). Dari rangkaian urutan nol pada Gambar (4.11) kita dapat membuat rangkaian simulasi menggunakan Matlab Simulink seperti berikut : Gambar (4.13) Rangkaian simulasi pada keadaan normal Simulasi akan dilakukan pada tiga keadaan pembebanan yaitu beban nol, beban ringan dan beban penuh. Nilai tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan generator berasal dari perhitungan sebelumnya, yaitu beban nol (173 V), beban ringan (99 V), dan beban penuh (346 V). Hasil simulasi adalah :
Tabel (4.4) Hasil simulasi Vo (Volt) Von (Volt) Vot (Volt) Tidak berbeban 173 123-170,30 55,79-21,79 Beban ringan 99 70,36-170,30 31,92-21,79 Beban penuh 346 245,92-170,30 111,57-21,79 Tegangan di netral dan terminal generator yang didapat dari hasil simulasi hampir sama dengan hasil perhitungan secara manual. Hal ini menunjukkan bahwa rangkaian ekivalen simulasi telah benar. Rangkaian ini telah mewakili rangkaian urutan nol generator. Nilai tegangan pada Tabel 4.2 kita gunakan sebagai acuan dalam simulasi tegangan harmonisa di netral dan terminal generator saat keadaan gangguan. IV.4.2 Simulasi Pada Keadaan Gangguan Simulasi untuk keadaan gangguan menggunakan rangkaian ekivalen seperti Gambar (4.12). Simulasi dilakukan dengan tiga buah metode yaitu metode tegangan kurang, metode tegangan lebih, dan metode rasio tegangan. Perbedaan ketiga metode ini adalah tempat dimana tegangan harmonisa ketiga akan diukur saat gangguan terjadi. Tegangan harmonisa dapat diukur pada terminal, netral, maupun pada keduanya. Hasil simulasi ini akan menunjukkan besar tegangan harmonisa ketiga sebagai fungsi dari jarak gangguan dan nilai resistansi gangguan.
V.4.2.1 Metode Tegangan Kurang Pada metode tegangan kurang, tegangan harmonisa ketiga diukur pada titik netral generator. Simulasi dilakukan pada tiga keadaan pembebanan generator yaitu beban nol, beban ringan, dan beban penuh. Dari hasil simulasi keadaan normal (Tabel 4.2), kita ketahui tegangan harmonisa ketiga pada saat beban ringan adalah sebesar 99 V. Tegangan ini merupakan tegangan yang terendah yang dihasilkan. Saat terjadi gangguan di netral, tegangan harmonisa ketiga pada netral akan turun. Jadi, kondisi terburuk untuk metode proteksi tegangan kurang adalah saat berbeban ringan. Rangkaian simulasi adalah sebagai berikut : Gambar (4.14) Rangkaian simulasi metode tegangan kurang. Simulasi dilakukan dengan mengubah ubah jarak gangguan (0% - 100%) dari netral dan tahanan gangguan (R f ). Tahanan gangguan yang dipakai adalah 1Ω, 10Ω, 100Ω, 1kΩ, 10kΩ, dan 100kΩ. Hasil simulasi adalah sebagai berikut :
Vn 175 150 125 100 75 50 25 Rf = 1 ohm Rf = 10 ohm Rf = 100 ohm Rf = 1 kohm Rf = 10 kohm Rf = 100 kohm 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Belitan stator Grafik (4.1) Tegangan harmonisa ketiga di netral saat beban ringan Grafik (4.1) menunjukkan tegangan harmonisa di netral generator (V n ) sebagai fungsi dari jarak gangguan dan tahanan gangguan. Untuk resistansi gangguan yang rendah, hubung singkat di netral akan menyebabkan tegangan harmonisa ketiga di netral turun hingga mendekati nol. Sebaliknya bila hubung singkat di terminal, tegangan harmonisa di netral akan bernilai 99 V. Tegangan sebesar ini adalah keseluruhan tegangan harmonisa yang dihasilkan generator. Tegangan harmonisa ketiga pada netral hampir linear dengan jarak gangguan. Gangguan dengan resitansi tinggi pada netral tidak menyebabkan tegangan harmonisa ketiga di netral turun hingga mendekati nol. Hal ini terjadi karena resistansi yang tinggi menyebabkan fasa yang terganggu seolah olah terisolasi dari tanah.
175 150 125 Rf=1 ohm Vn (Volt) 100 75 50 25 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Rf=10 ohm Rf=100 ohm Rf=1 kohm Rf=10 kohm Rf=100 kohm Belitan Stator Grafik (4.2) Tegangan harmonisa ketiga di netral saat tidak berbeban 400 360 320 280 Vn (Volt) 240 200 160 120 80 40 Rf = 1 ohm Rf = 10 ohm Rf = 100 ohm Rf = 1 kohm Rf = 10 kohm Rf = 100 kohm 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Belitan Stator Grafik (4.3) Tegangan harmonisa ketiga di netral saat beban penuh Grafik (4.2) dan (4.3) merupakan hasil simulasi pada keadaan tidak berbeban dan berbeban penuh. Kurva yang diperoleh hampir sama dengan simulasi yang pertama. Hal
yang membedakan hanyalah besaran tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan. Pada beban nol, tegangan harmonisa yang dihasilkan sebesar 173 V, sedangkan pada beban penuh sebesar 346 V. Dari hasil simulasi kita dapat menyimpulkan bahwa metode tegangan kurang dapat bekerja dengan baik jika gangguan hubung tanah stator mempunyai resistansi rendah. Resistansi gangguan maksimal dalam simulasi ini adalah sebesar 100 Ω. Apabila terjadi gangguan dengan resistansi lebih dari 100 Ω, maka rele tegangan kurang tidak akan dapat mendeteksinya. Besaran setting rele tegangan kurang Rele tegangan harmonisa ketiga harus diatur agar mempunyai tegangan pick up lebih besar dari tegangan harmonisa ketiga saat terjadi gangguan di netral. Namun, tegangan pick up ini juga harus lebih kecil dari tegangan harmonisa minimum yang dihasilkan oleh generator. Hal ini dilakukan agar rele tidak salah bekerja saat generator bekerja pada beban ringan. Disebutkan dalam paper Engelhart (1973), rele tegangan harmonisa ketiga dapat diatur dengan range 5-10 V. Generator menghasilkan tegangan harmonisa saat beban ringan sebesar 70,36 V dan tegangan harmonisa ketika gangguan terjadi adalah 0 Volt. Sehingga setting yang kita pilih adalah 60 65 V. IV.4.2.2 Metode Tegangan Lebih Pada metode tegangan lebih, tegangan harmonisa ketiga diukur pada terminal generator. Simulasi dilakukan pada tiga keadaan pembebanan generator yaitu beban nol, beban ringan, dan beban penuh.
Tegangan harmonisa ketiga saat beban penuh adalah sebesar 346 V. Tegangan ini adalah tegangan tertinggi jika dibandingkan dengan saat beban nol dan beban ringan. Saat gangguan terjadi di netral, tegangan harmonisa ketiga pada terminal akan naik. Jadi kondisi terburuk untuk metode proteksi ini adalah saat generator berbeban penuh. Rangkaian simulasi metode tegangan lebih adalah sebagai berikut : Gambar (4.15) Rangkaian simulasi metode tegangan lebih Simulasi yang dilakukan sama dengan cara metode tegangan kurang. Parameter yang diubah dalam simulasi ini adalah jarak gangguan dan tahanan gangguan. berikut : Hasil simulasi pada keadaan generator berbeban penuh adalah seperti grafik (4.4)
400 350 300 Vt (Volt) 250 200 150 100 50 Rf = 1 ohm Rf = 10 ohm Rf = 100 ohm Rf = 1 kohm Rf = 10 kohm Rf = 100 kohm 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Belitan Stator Grafik (4.4) Tegangan harmonisa ketiga di terminal saat beban penuh Grafik (4.4) menunjukkan tegangan harmonisa di terminal generator (V t ) sebagai fungsi dari jarak gangguan dan tahanan gangguan. Untuk resistansi gangguan yang rendah, hubung singkat di netral akan menyebabkan tegangan harmonisa ketiga pada terminal naik hingga mendekati nilai 346 V. Nilai ini merupakan tegangan harmonisa ketiga total yang dihasilkan oleh generator. Tegangan ini juga relatif linear terhadap jarak gangguan. Apabila gangguan terjadi di titik terminal, tegangan harmonisa ketiga pada terminal hampir mendekati 0 Volt. Untuk gangguan dengan resistansi tinggi pada netral generator juga tidak meyebabkan tegangan harmonisa ketiga pada terminal naik. Grafik yang diperoleh pada beban ringan dan beban nol juga hampir sama. Perbedaan ketiga grafik ini hanya pada besarnya tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan.
120 100 80 Vt (Volt) 60 40 Rf = 1 ohm Rf = 10 ohm Rf = 100 ohm Rf = 1 kohm Rf = 10 kohm Rf = 100 kohm 20 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Belitan Stator Grafik (4.5) Tegangan hamonisa ketiga di terminal saat beban ringan 200 180 160 140 120 Vt(Volt) 100 80 60 40 20 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Belitan Stator Rf = 1 ohm Rf = 10 ohm Rf = 100 ohm Rf = 1 kohm Rf = 10 kohm Rf = 100 kohm Grafik (4.6) Tegangan harmonisa ketiga di terminal saat beban nol
Besaran setting rele tegangan lebih Rele tegangan lebih harus diatur agar mempunyai tegangan pick up yang lebih kecil daripada tegangan harmonisa di terminal saat terjadi gangguan stator. Tegangan pick up ini juga harus lebih besar dari tegangan harmonisa saat generator berbeban penuh. Pada saat generator berbeban penuh, tegangan harmonisa yang dihasilkan bernilai maksimum yaitu sebesar 346 V. Tegangan harmonisa maksimum di terminal adalah 111,65 V. Dari syarat di atas, kita harus memilih tegangan pick up yang lebih besar. Tegangan yang kita pilih adalah 115 120 V. Jika stator generator mengalami hubung singkat saat berbeban ringan, tegangan harmonisa ketiga yang dihasilkan sebesar 99 V. Tegangan ini lebih kecil dari tegangan pick up generator sehingga rele tidak dapat mendeteksi gangguan tersebut. Dari hasil simulasi diperoleh kesimpulan bahwa metode tegangan lebih tidak dapat diterapkan. Metode ini tidak dapat mendeteksi gangguan di dekat netral generator saat generator berbeban ringan karena tegangan pick up lebih besar daripada tegangan saat gangguan. IV.4.2.3 Metode Rasio Tegangan Pada metode ini, tegangan harmonisa ketiga di netral dan terminal generator diukur. Kedua tegangan ini kemudian dibandingkan untuk mendapatkan rasio tegangan. Rasio tegangan yang kita pakai dalam simulasi adalah : Rasio = Simulasi juga dilakukan pada tiga jenis pembebanan yaitu beban nol, beban ringan, dan beban penuh. Dari hasil perhitungan terdahulu, kita mendapatkan nilai rasio
tegangan sebesar 0,46. Rasio ini konstan pada ketiga pembebanan generator. Hal ini menunjukkan bahwa rasio tegangan tidak dipengaruhi oleh beban generator. Rasio tegangan hanya dipengaruhi oleh kapasitansi belitan stator ke tanah. Rangkaian simulasinya adalah sebagai berikut : Gambar (4.16) Rangkaian simulasi metode rasio tegangan Nilai rasio tegangan sebesar 0,46 kita pakai sebagai acuan. Dalam simulasi ini, kita akan melihat rasio tegangan sebagai fungsi dari jarak gangguan dan tahanan gangguan. Hasil simulasi adalah sebagai berikut :
Rasio 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Rf = 1 0hm Rf = 10 0hm Rf = 100 0hm Rf = 1 k0hm Rf = 10 k0hm Rf = 100 k0hm 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Belitan Stator Grafik (4.7) Rasio tegangan saat beban ringan Rasio 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Rf = 1 ohm Rf = 10 ohm Rf = 100 ohm Rf = 1 kohm Rf = 10 kohm Rf = 100 kohm 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Belitan Stator Grafik (4.8) Rasio tegangan saat tidak berbeban
Rasio 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Rf = 1 ohm Rf = 10 ohm Rf = 100 ohm Rf = 1 kohm Rf = 10 kohm Rf = 100 kohm 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Belitan stator Grafik (4.9) Rasio tegangan saat beban penuh Ketiga grafik rasio tegangan di atas adalah identik. Di sini terbukti bahwa rasio tegangan tidak dipengaruhi oleh pembebanan generator. Saat gangguan dengan resistansi rendah terjadi, rasio tegangan berbeda dengan rasio acuan kita. Hal ini terjadi hampir pada seluruh belitan stator, kecuali daerah belitan di atas 70% dari netral generator. Daerah ini disebut daerah buta (blind zone). Untuk gangguan dengan resistansi tinggi (100 kω), rasio tegangan bernilai 0,46 jika gangguan tersebut terjadi di titik netral generator. Rasio tegangan ini akan semakin besar jika gangguan semakin jauh dari titik netral generator. Besaran setting metode rasio tegangan Untuk melindungi belitan stator dekat netral generator, setting rasio tegangan yang kita gunakan adalah > 0,46. Artinya rele akan bekerja jika rasio tegangan yang dirasakan