BAB IV SISTEM PENGOPERASIAN GENERATOR SINKRONISASI 4.1 Prinsip Kerja Sinkronisasi Genset di PT. ALTRAK 1978 Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnet homogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120. Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, 31
kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan. Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik dengan besar tegangan keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya. Sistem ini merupakan sistem yang vital pada proses pembangkitan listrik dan pada perkembangannya, sistem Eksitasi pada generator listrik ini dapat dibedakan menjadi 2 macam, yaitu: 1. Sistem Eksitasi dengan menggunakan sikat (brush excitation) 2. Sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation). 4.1.1. Sistem Eksitasi dengan menggunakan sikat (brush excitation) Pada Sistem Eksitasi menggunakan sikat, sumber tenaga listriknya berasal dari generator arus searah (DC) atau generator arus bolak balik (AC) yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier. Jika menggunakan sumber listrik listrik yang berasal dari generator AC atau menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG) medan magnetnya adalah magnet permanent. Dalam lemari penyearah, tegangan 32
listrik arus bolak balik diubah atau disearahkan menjadi tegangan arus searah untuk mengontrol kumparan medan eksiter utama (main exciter). Untuk mengalirkan arus Eksitasi dari main exciter ke rotor generator menggunakan slip ring dan sikat arang, demikian juga penyaluran arus yang berasal dari pilot exciter ke main exciter. Gambar 4.1 Eksitasi dengan menggunakan sikat (brush excitation) 4.1.2. Sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation). Penggunaan sikat atau slip ring untuk menyalurkan arus excitasi ke rotor generator mempunyai kelemahan karena besarnya arus yang mampu dialirkan pada sikat arang relatif kecil. Untuk mengatasi keterbatasan sikat arang, digunakan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation). Keuntungan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation), antara lain adalah: 1) Energi yang diperlukan untuk Eksitasi diperoleh dari poros utama (main shaft), sehingga keandalannya tinggi 2) Biaya perawatan berkurang karena pada sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) tidak terdapat sikat, komutator dan slip ring. 33
3) Pada sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) tidak terjadi kerusakan isolasi karena melekatnya debu karbon pada farnish akibat sikat arang. 4) Mengurangi kerusakan ( trouble) akibat udara buruk (bad atmosfere) sebab semua peralatan ditempatkan pada ruang tertutup 5) Selama operasi tidak diperlukan pengganti sikat, sehingga meningkatkan keandalan operasi dapat berlangsung terus pada waktu yang lama. 6) Pemutus medan generator (Generator field breaker), field generator dan bus exciter atau kabel tidak diperlukan lagi 7) Biaya pondasi berkurang, sebab aluran udara dan bus exciter atau kabel tidak memerlukan pondasi Gambar 4.2 Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) 34
4.2 Proteksi generator 4.2.1. Gangguan Generator Sinkron Gangguan Generator Sinkron relatif jarang terjadi karena: 1). Instalasi Listrik tidak terbuka terhadap lingkungan, terlindung terhadap petir dan tanaman. 2). Ada Transformator Blok dengan hubungan Wye-Delta, sehingga mencegah arus (gangguan) urutan nol dari Saluran Transmisi masuk ke Generator. 3). Instalasi Listrik dari Generator ke Rel umumnya memakai Cable Duct yang kemungkinannya mengalami gangguan kecil. 4). Tripnya PMT Generator sebagian besar (lebih dari 50%) disebabkan oleh gangguan mesin penggerak generator. Namun ada juga gangguan-gangguan yang sering terjadi pada generator sinkron, meliputi gangguan pada : 1). Stator 2). Rotor (Sistem Penguat) 3). Mesin Penggerak 4). Back up instalasi di luar Generator 35
4.2.2. Pengaman Terhadap Gangguan Luar Generator Generator umumnya dihubungkan ke rel (busbar). Beban dipasok oleh saluran yang dihubungkan ke rel. Gangguan kebanyakan ada di saluran yang mengambil daya dari rel. Instalasi penghubung generator dengan rel umumnya jarang mengalami gangguan. Karena rel dan saluran yang keluar dari rel sudah mempunyai proteksi sendiri, Maka proteksi generator terhadap gangguan luar cukup dengan relay arus lebih dengan time delay yang relatif lama dan dengan voltage restrain. Voltage Restrain 1). Arus Hubung Singkat Generator turun sebagai fungsi waktu. 2). Hal ini disebabkan oleh membesarnya arus stator yang melemahkan medan magnit kutub (rotor) sehingga ggl dan tegangan jepit Generator turun. 3) Untuk menjamin kerjanya Relay sehubungan dengan menurunnya arus hubung singkat Generator, diperlukan Voltage Restrain Coil. Mengingat karakteristik hubung singkat Generator yang demikian, pada Generator besar dipakai juga Relay Impedansi. 4.4. Pengaman Terhadap Gangguan Dalam Generator 1). Hubung singkat antar fasa a. Untuk proteksi dipergunakan relay differensial. 36
b. Kalau relay ini bekerja maka selain mentripkan PMT generator, PMT medan penguat generator harus trip juga. c. Selain itu melalui relay bantu, mesin penggerak harus dihentikan 2). Hubung Singkat Fasa Tanah a. Dipakai Relay Hubung Tanah terbatas. b. Relay ini memerintahkan - PMT Generator Trip - PMT Medan Penguat Mesin Penggerak berhenti (melalui Relay Bantu) c. Pada Generator yang memakai Trafo Blok Y- nol dari gangguan hubung tanah di luar Generator tidak masuk, bisa dipakai pula : - Relay Tegangan yang mengukur pergeseran tegangan titik Netral terhadap tanah. - Relay Arus yang mengukur arus titik Netral ke tanah lewat tahanan atau kumparan. 3). Penguatan Hilang a. Penguatan hilang atau penguatan melemah (under exitation) bisa menimbulkan pemanasan yang berlebihan pada kepala kumparan stator b. Penguatan hilang menyebabkan gaya mekanik pada kumparan arus searah rotor hilang, terjadi out of step, menjadi Generator Asinkron, 37
timbul arus pusar berlebihan di rotor, selanjutnya rotor mengalami pemanasan berlebihan. c. Relay penguatan hilang akan mentripkan PMT Generato 4). Penggunaan Relay Mho a. Dalam keadaan eksitasi rendah / hilang, Generator akan mengambil daya Reaktif dari sistem. b. Oleh karenanya dipakai Relay Mho yang bekerja pada kwadran 3 dan 4 dari Kurva Kemampuan Generator. c. Perlu perhatian pada Beban Kapasitif, misalnya Saluran Kosong, Daya Reaktif akan masuk ke Generator dan menyebabkan Relay ini bekerja. 5). Hubung Singkat dalam Sirkit Rotor Hubung singkat dalam sirkit rotor bisa menyebabkan penguatan hilang. a. Karena hubung singkat dalam sirkit rotor ini, bisa timbul distorsi medan magnet dan selanjutnya timbul getaran berlebihan. b. Cara mendeteksi gangguan sirkit rotor : Potentio Meter, AC Injection, DC Injection. 6). Relay Negatif Sequence a. Gangguan yang menimbulkan ketidak-simetrisan Tegangan maupun arus, menimbulkan Negatif Sequence Current, tetapi tidak dapat dideteksi oleh Relay-relay yang telah disebutkan sebelumnya, maka sebelum 38
Negatif Sequence Current terjadi diharapkan dapat dideteksi oleh Relay ini. b. Gangguan-gangguan tersebut di atas misalnya adalah : Hubung Singkat antar lilitan satu fasa. Hubung Tanah di dekat titik Netral. Ada sambungan salah satu fasa yang kendor. c. Negative Sequence Current bisa menimbulkan pemanasan berlebihan pada rotor. 7). Gangguan Internal Generator Yang Sulit Dideteksi a. Hubung singkat antar lilitan satu fasa, tidak terdeteksi oleh relay diferensial. b. Hubung tanah di dekat titik Netral, tidak terdeteksi oleh relay hubung tanah terbatas. c. Lilitan putus atau sambungan kendor, tidak terlihat oleh relay diferensial. d. Diharapkan relay suhu dan relay Negatif Sequence bisa ikut mendeteksi dua gangguan ini. Untuk Exciter berupa generator arus bolak balik yang memakai diode berputar, deteksi gangguan rotor hanya bisa lewat : a. Arus medan Pilot Exciter yang melewati sikat, bisa ditap untuk diamati. Arus ini akan membesar kalau ada gangguan kumparan rotor. 39
b. Gangguan Kumparan rotor menimbulkan vibrasi yang bisa dideteksi oleh detektor vibrasi. 8). Gangguan dalam mesin penggerak Gangguan-gangguan yang demikian adalah : a. Tekanan minyak pelumas terlalu rendah b. Suhu air pendingin atau suhu bantalan terlalu tinggi c. Daya balik, Adakalanya gangguan dalam mesin penggerak generator memerlukan tripnya PMT Generator. 9). Suhu Tinggi a. Suhu tinggi bisa terjadi pada bantalan generator atau pada kumparan stator. b. Hal ini masing-masing di deteksi oleh relay suhu yang mula-mula membunyikan alarm kemudian mentripkan PMT generator dan memberhentikan mesin penggerak apabila yang bekerja adalah relay suhu bantalan. Penyebab Suhu Tinggi a. Lilitan Stator, penyebabnya: Beban Lebih Beban tidak simetris, arus urutan negatif Hubung singkat yang tidak terdeteksi 40
Penguatan Hilang / Lemah Ventilasi kurang baik, hidrogin bocor Kotoran / debu melekat pada lilitan b. Kumparan Rotor, penyebabnya: Beban stator tidak seimbang, arus urutan negatif Hubung singkat yang tidak terdeteksi Out of step Ventilasi kurang baik, hidrogin bocor Kotoran / debu melekat pada lilitan c. Bantalan Generator, penyebabnya: Pelumasan kurang lancar, tekanannya kurang tinggi Kerusakan pada bagian yang bergeseran 10). Tekanan minyak terlalu rendah a. Tekanan minyak pelumas yang terlalu rendah bisa merusak bantalan, oleh karenanya jika hal ini terjadi Mesin Penggerak perlu segera dihentikan melalui proses alarm terlebih dahulu apabila tekanan ini turun secara bertahap b. Berhentinya Mesin Penggerak harus bersamaan dengan tripnya PMT Generator 41
11). Relay Over Fluks Relay ini mengukur besaran volt per Hertz. Tegangan imbas volt dalam suatu kumparan adalah sebanding dengan kerapatan fluks dan frekwensi. Over fluks bisa terjadi pada Tegangan normal tetapi frekwensi rendah. Hal semacam ini bisa terjadi pada saat menstart generator dimana frekwensi masih rendah, karena putaran Generator masih rendah, tetapi sudah ada arus penguat dari exciter. Kerapatan fluks yang tinggi ini akan menimbulkan arus pusar yang tinggi sehingga timbul pemanasan berlebihan dalam inti generator dan dalam inti trafo penaik tegangan. Begitu pula dengan rugi histerisis yang menjadi makin tinggi Apabila kerapatan fluks magnetik tinggi, hal ini ikut menambah pemanasan inti stator. uap atau turbin air dengan melalui Alarm terlebih dahulu. Untuk Turbin Gas masalahnya sama dengan untuk Turbin Uap. Tabel 4.1 Relai proteksi dan fungsinya 42
Tabel 4.2 Relai proteksi dan fungsinya (lanjutan) 12). Putaran Lebih a. Apabila PMT generator trip, maka akan terjadi putaran lebih yang membahayakan generator dan mesin penggeraknya. b. Untuk ini diperlukan relay putaran lebih yang memberhentikan mesin penggerak. 13). Tegangan Lebih a. Apabila PMT generator trip, maka bisa terjadi tegangan lebih. b. Untuk ini diperlukan relay tegangan lebih. 4.4. Prosedur Pengoperasian Sinkronisasi Generator Dalam pengoperasian sinkronisasi generator harus dijalankan sesuai prosedur yang ada. Secara umum prosedur pengoperasiannya dibagi menjadi empat tahapan, yaitu : 43
4.4.1. Tahap Persiapan ALTRAK 1978 sangat memperhatikan keselamatan pekerjanya. Oleh karena itulah dalam tahap persiapan ini, pekerja yang akan menjalankan sinkronisasi generator harus memakai peralatan safety terlebih dahulu. Peralatan safety yang digunakan antara lain, baju FRC, safety shoes, safety glas, safety helmet dan ear plug. Sebelum dilakukan prosedur pemeriksaan generator secara keseluruhan, perlu memastikan bahwa sistem tidak dialiri listrik dengan membuka disconnecting switch. Hal-hal yang perlu diperhatikan sebelum mengoperasikan generator set, yaitu : 1) Sistem start 2) Sistem pelumasan 3) Sistem pendingin 4) Sistem bahan bakar 5) Sistem kontrol 6) Sistem proteksi 7) Sistem interlock 8) Sistem Pembuangan Bila pemeriksaan sistem di atas dalam kondisi yang baik, maka generator dalam kondisi siap untuk dijalankan 44
4.4.2. Tahap Menjalankan Generator Pada tahap menjalankan generator sinkron, mesin generator tidak dapat langsung dijalankan dengan kecepatan tinggi melainkan dengan putaran rendah terlebih dahulu kemudian putaran dinaikkan sampai ke putaran nominal yaitu 1500 rpm. Kontrol kecepatan dapat dilakukan dengan mengatur speed control yang terdapat pada panel generator. Setelah kecepatan putar mesin mencapai putaran nominal, perlu dilakukan pengecekan terhadap parameter yang ada pada unit tersebut agar berada dalam keadaan normal. Pengecekan yang dilakukan yaitu frekuensi dan tegangan output dari generator. Pada keadaan normal frekuensi dari generator sebesar 50-60 Hz, sedangkan tegangan output sebesar 4160 Volt. 4.4.3. Tahap Pembebanan Setelah generator berputar pada kecepatan normal dan dalam kondisi baik, maka siap dilakukan hubungan parallel antar generator guna memenuhi kebutuhan listrik. Beberapa alasan pentingnya interkoneksi antara beberapa generator antara lain: Mengurangi installed capacity dari stand by unit Memungkinkan pembagian beban secara ekonomis diantara beberapa generator. Menjamin kontinuitas ketersedian listrik. Proses interkoneksi antara generator satu dengan yang lain atau dengan busbar disebut dengan synchronising. Pada proses interkoneksi 45
yang dilakukan pada generator sinkron dengan metode synchronoscope. Metode ini digunakan untuk memastikan bahwa generator-generator yang di parallel telah memenuhi syarat dari hubungan parallel generator, yaitu: Generator yang dihubungkan parallel harus mempunyai tegangan yang sama dengan busbar. Untuk melakukan operasi paralel generator maka dilakukan tahap sinkronisasi terlebih dahulu. Beberapa parameter yang harus sama untuk syarat sinkronisasi adalah: 1. Tegangan 2. Frekuensi 3. Urutan Fasa Dengan berkembangnya teknologi maka proses sinkronisasi dapat dilakukan secara otomatis pada synchronizing panel. berikut gambar dibawah ini merupakan diagram sederhana dari alur proses sinkronisasi. Gambar 4.3 Proses sinkronisasi generator 46
Phasa dari tegangan generator sama dengan phasa dari busbar Untuk mengetahui sinkronisasi pada urutan dan beda fasa maka dapat dilakukan dengan metode lampu gelap-terang. Ketika urutan dan beda fasa sudah sinkron dapat dilihat pada nyala lampu untuk L1 dan L2 nyala terang, dan L3 gelap. Berikut diagram vektor dari urutan fase dan proses nyala ketiga lampu tersebut. Gambar 4.4 Proses sinkronisasi pada urutan dan beda fasa Tegangan generator dan busbar mempunyai frekuensi yang sama. Tegangan dan frekuensi dari generator yang akan diparalel harus bernilai sama mendekati rating bus pada generator yang telah beroperasi. Untuk memasukkan saklar sinkronisasi maka dapat melihat jarum pada synchroscope tersebut dalam posisi 0 atau arah jarum jam 12. Ini membuktikan bahwa selisish frekuensi telah bernilai 0. Untuk mensinkronasikan nilai dari tegangan antara generator yang akan diparalel maka dilakukan dengan mengatur sistem eksitasinya. Apabila tegangan generator lebih tinggi dari tegangan rating bus di sistem, maka generator 47
akan mengalami sentakan beban M Var lagging (induktif), pada kondisi ini generator mengirim daya reaktif ke sistem. Sebaliknya jika tegangan generator lebih rendah dari pada tegangan sistem, mesin akan mengalami sentakan beban M Var Leading (kapasitif), artinya generator menyerap daya reaktif dari sistem (loss of field). Berikutnya untuk Frekuensi generator juga harus bernilai sama dengan frekuensi sistem pada bus. Untuk mensinkronasikan frekuensi dilakukan dengan cara mengatur katup governor untuk mengatur putaran generator tersebut. Jika frekuensi generator lebih tinggi dari pada frekuensi sistem, sistem akan mengalami sentakan beban MW dari generator, artinya mesin membangkitkan dan mulai menyalurkan daya aktif (MW). Sebaliknya jika generator frekuensinya lebih rendah dari pada sistem, mesin akan mengalami sentakan MW dari sistem, artinya generator akan beroperasi menjadi motor (motoring). 48
Gambar 4.5 Synchroscope 1. Pastikan bahwa breaker dari generator yang akan diparalel (incoming generator) dalam keadaan terbuka, atau dengan kata lain incoming generator terisolasi dengan sistem. 2. Pastikan AVR (Automatic Voltage Regulator) dalam keadaan Automatic, bukan manual. 3. Start Prime mover sampai pada spesifikasi putaran tanpa beban. 4. Gunakan governor control untuk mengeset frekwensi Incoming Generator lebih tinggi 1/10 dari frekwensi sistem. 5. Gunakan AVR untuk mengeset Tegangan Incoming Generator sama atau lebih tinggi dari sistem. 6. Gunakan Synchroscope pada incoming generator dan set frekwensi incoming generator berputar perlahan lahan di daerah Fast mendekati 0. 49
7. Tutup breaker incoming generator saat 1 sampai 2 derajat pada synchroscope sebelum posisi 0. Dengan asumsi breaker mepunyai massa lembam dengan demikian penutupan breaker tepat pada angka 0 pada synchroscope. 8. Matikan synchroscope 9. Dengan governor control, buat perpindahan beban ke incoming generator secara perlahan lahan. 10. Jika power faktor yang terbaca antara 2 generator atau lebih yangdiparalel tidak sama maka, set AVR masing masing generator sampai power faktor setiap generator mendekati sama. 4.4.4. Tahap Menghentikan Generator Pada tahap mematikan generator tidak dapat langsung mematikan mesin secara tiba-tiba. Generator harus dilepaskan dahulu dari hubungan parallel dan bebannya harus diturunkan terlebih dahulu secara perlahanlahan, kemudian biarkan mesin bekerja tanpa beban untuk memberikan kesempatan pada mesin menyesuaikan temperatur kerja seiring dengan penurunan kecepatan putar dari mesin. Setelah generator berhenti, dilakukan pemeriksaan untuk menjamin keandalan mesin bila generator beroperasi kembali. 50