Makalah Seminar Kerja Praktek Sistem Proteksi Generator Berbasis RCS-985 Pada PLTU Pacitan Satrio Wibowo (21060110141099), Ir. Yuningtyastuti, MT (195209261983032001) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Jalan Prof. H. Soedarto, S.H., Tembalang, Semarang Kode Pos 50275 Telp. (024) 7460053, 7460055 Fax. (024) 746055 E-mail: Satriotr12@yahoo.com Abstrak Kebutuhan listrik dari tahun ke tahun semakin meningkat seiring dengan laju pertumbuhan penduduk. Maka dibangunlah pembangkit-pembangkit energi listrik sehingga terpenuhi kebutuhan listrik dalam negeri. Keandalan dan keberlangsungan suatu pembangkit energi listrik dalam melayani konsumen sangat tergantung pada sistem proteksi yang digunakan. Adanya gangguan pada suatu pembangkit dapat mengganggu operasi dari pembangkit tersebut yang juga dapat membahayakan bagian-bagian penting didalamnya karena dapat mengakibatkan kerusakan dan meluasnya daerah kerusakan ke bagian-bagian lain. Karena itu diperlukan suatu sistem proteksi yang dapat melindungi setiap bagian dari pembangkit energi listrik. PLTG Pacitan menggunakan sistem proteksi berbasis RCS-985. Sistem ini memiliki berbagai fungsi proteksi yang salah satunya untuk proteksi generator. Terdiri dari bagian-bagian analog input unit, mikroprosesor, modul proteksi CPU, manajemen / record modul (MON), modul sinyal dll.. RCS-985 terintegrasi dengan semua perangkat proteksi dan memiliki interface berupa nyala lampu LED dan alarm untuk indikator gangguan. RCS-985 juga memiliki lock-out relay sebagai interlock untuk pengaman-pengaman atau breaker pada PLTU Pacitan. Kata kunci : Sistem Proteksi Generator, RCS-985 I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Listrik sangat berguna baik dalam pemenuhan kebutuhan rumah tangga ataupun kebutuhan dunia industri. Kebutuhan listrik dari tahun ke tahun semakin meningkat seiring dengan laju pertumbuhan penduduk. Maka dibangunlah pembangkit-pembangkit energi listrik sehingga terpenuhi kebutuhan listrik dalam negeri. Tentu saja pembangkit listrik mempunyai peran yang sangat besar pada semua sektor kehidupan masyarakat sehingga keberadaannya menjadi sangat penting. Keandalan dan keberlangsungan suatu sistem tenaga listrik dalam melayani konsumen sangat tergantung pada sistem proteksi yang digunakan. Adanya gangguan pada suatu sistem pembangkit dapat mengganggu operasi dari sistem pembangkit tersebut yang dapat membahayakan bagian-bagian penting didalamnya karena dapat mengakibatkan kerusakan dan penurunan umur pembangkit. Karena itu diperlukan suatu sistem proteksi yang dapat melindungi setiap bagian dari sistem pembangkit listrik, salah satunya adalah menggunakan RCS-985 1.2 Maksud dan Tujuan Kerja Praktek Tujuan Kerja Praktek ini adalah : 1. Mahasiswa melalui kerja praktek ini dapat menerapkan teori yang didapat di bangku kuliah. 2. Mahasiswa dapat mengetahui sistem proteksi pada pembangkit tenaga listrik, khususnya di PLTU Pacitan. 3. Mahasiswa dapat mengetahui secara langsung alat-alat sistem proteksi yang terdapat di pembangkit PLTU Pacitan. 1.3 Batasan Masalah Dalam Laporan Kerja Praktek ini, penulis membatasi masalah hanya pada prinsip kerja dari sistem proteksi generator RCS-985 pada PLTU Pacitan.
II. DASAR TEORI 2.1 Sistem Proteksi Tenaga Listrik Yang dimaksud dengan sistem proteksi tenaga listrik adalah sistem pengaman pada peralatan-peralatan yang terpasang pada sistem tenaga listrik, seperti generator, bus bar, transformator, saluran udara tegangan tinggi, saluran kabel bawah tanah, dan lain sebagainya terhadap kondisi abnormal operasi sistem tenaga listrik tersebut. 2.2 Fungsi dan Persyaratan Kualitas Proteksi Proteksi itu diperlukan : 1. Untuk menghindari ataupun untuk mengurangi kerusakan peralatan-peralatan akibat gangguan (kondisi abnormal operasi sistem). Semakin cepat reaksi perangkat proteksi yang digunakan maka akan semakin sedikitlah pengaruh gangguan kepada kemungkinan kerusakan alat 2. Untuk cepat melokalisir luas daerah terganggu menjadi sekecil mungkin 3. Untuk dapat memberikan pelayanan listrik dengan keandalan yang tinggi kepada konsumen dan juga mutu listrik yang baik. 4. Untuk mengamankan manusia terhadap bahaya yang ditimbulkan oleh listrik Ada beberapa persyaratan yang sangat perlu diperhatikan dalam suatu perencanaan sistem proteksi yang efektif yaitu : a). Selektivitas dan Diskrimanasi Efektivitas suatu sistem proteksi dapat dilihat dari kesanggupan sistem dalam mengisolir bagian yang mengalami gangguan saja. b). Stabilitas Sifat yang tetap inoperatif apabila gangguan-gangguan terjadi diluar zona yang melindungi (gangguan luar). c). Kecepatan Operasi Sifat ini lebih jelas, semakin lama arus gangguan terus mengalir, semakin besar kerusakan peralatan. Hal yang paling penting adalah perlunya membuka bagian-bagian yang terganggu sebelum generator-generator yang dihubungkan sinkron kehilangan sinkronisasi dengan sistem selebihnya. Waktu pembebasan gangguan yang tipikal dalam sistem-sistem tegangan tinggi adalah 140 ms. Dimana mendatang waktu ini hendak dipersingkat menjadi 80 ms sehingga memerlukan relay dengan kecepatan yang sangat tinggi (very high speed relaying) d). Sensitivitas (kepekaan) Yaitu besarnya arus gangguan agar alat bekerja. Harga ini dapat dinyatakan dengan besarnya arus dalam jaringan aktual (arus primer) atau sebagai presentase dari arus sekunder (trafo arus). e). Reliabilitas (keandalan) Sifat ini jelas, penyebab utama dari outage rangkaian adalah tidak bekerjanya proteksi sebagaimana mestinya (mal operation). 2.3 Perangkat Sistem Proteksi Yang dimaksud dengan perangkat sistem proteksi,seperti terlihat pada gambar 2.1 adalah : Gambar 2.1 Hubungan antar perangkat proteksi 1. Relai. Sebagai elemen perasa /pengukur untuk mendeteksi gangguan. 2. PMT/PMB (Pemutus Tenaga/ Pemutus Beban) Sebagai pemutus arus dalam sirkuit tenaga untuk melepas bagian sistem yang terganggu. 3. Trafo tegangan dan atau trafo arus. Mengubah besarnya arus dan atau tegangan dari sirkuit primer ke sirkuit sekunder (Relai) 4. Battery. Sebagai sumber tenaga untuk mentripkan PMT dan catu daya untuk relai statik dan relai bantu. 5. Pengawatan. Untuk mengubungkan komponen-komponen proteksi sehingga menjadi satu sistem.
2.4 Gangguan Pada Generator Macam-macam gangguan pada generator dapat diklasifikasikan sebagai berikut : A. Gangguan listrik (electrical fault) B. Gangguan mekanis/panas (mechanical or thermal fault) C. Gangguan sistem (system fault) A. Gangguan Listrik (electrical fault ). Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul dan terjadi pada bagian-bagian listrik dari generator. Gangguan-gangguan tersebut antara lain : 1. Hubung singkat 3 (tiga) fasa. Terjadinya arus lebih pada stator yang dimaksud adalah arus lebih yang timbul akibat terjadinya hubungan singkat tiga fasa (three phase fault). Gangguan ini akan menimbulkan loncatan bunga api dengan suhu tinggi yang akan melelehkan belitan dengan resiko terjadinya kebakaran jika isolasi tidak terbuat dari bahan yang anti api ( non flammable) 2. Hubung singkat 2 (dua) fasa. Gangguan hubung singkat 2 fasa (unbalance fault) lebih berbahaya dibanding gangguan hubung singkat tiga fasa (balance fault) karena disamping akan terjadi kerusakan pada belitan, akan timbul pula vibrasi pada kumparan stator. Kerusakan lain yang timbul adalah pada poros (shaft) dan kopling turbin akibat adanya momen puntir yang besar. 3. Stator hubung singkat satu fasa ketanah (stator ground fault) Kerusakan akibat gangguan 2 fasa atau antara konduktor kadang-kadang masih dapat diperbaiki dengan menyambung (taping) atau mengganti sebagian konduktor tetapi kerusakan laminasi besi (iron lamination) akibat gangguan 1 fasa ketanah yang menimbulkan bunga api dan merusak isolasi dan inti besi adalah kerusakan serius yang perbaikannya dilakukan secara total. Gangguan jenis ini meskipun kecil harus segera diproteksi. 4. Rotor hubung tanah (field ground). Pada rotor generator yang belitannya tidak dihubungkan ketanah (ungrounded system), bila salah satu sisi terhubung ketanah belum menjadikan masalah. Tetapi apabila sisi lainnya kemudian terhubung ketanah, sementara sisi sebelumnya tidak terselesaikan maka akan terjadi kehilangan arus pada sebagian belitan yang terhubung singkat melalui tanah. Akibatnya terjadi ketidakseimbangan fluksi yang menimbulkan vibrasi yang berlebihan dan kerusakan fatal pada rotor. 5. Kehilangan medan penguat (loss of excitation). Hilangnya medan penguat akan membuat putaran mesin naik dan berfungsi sebagai generator induksi. Kondisi ini akan berakibat pemanasan Iebih pada rotor dan pasak (slot wedges), akibat arus induksi yang bersirkulasi pada rotor. Kehilangan medan penguat dapat dimungkinkan oleh : a. Jatuhnya (trip) saklar penguat. b. Hubung Singkat pada belitan penguat. c. Kerusakan kontak-kontak sikat arang pada sisi penguat. d. Kerusakan pada sistem AVR. 6.Tegangan lebih (over voltage). Tegangan yang berlebihan melampaui batas maksimum yang diijinkan dapat berakibat tembusnya (breakdown) desain isolasi yang akhirnya akan menimbulkan hubungan singkat antara belitan. Tegangan lebih dapat dimungkinkan oleh mesin putaran lebih (overspeed) atau kerusakan pada pengatur tegangan otomatis (AVR). B Ganguan Mekanis/Panas (mechanical or thermal fault) Jenis-jenis gangguan mekanik atau panas antara lain: 1. Generator berfungsi sebagai motor (motoring). Motoring adalah peristiwa berubah fungsinya generator menjadi motor akibat daya balik (reverse power). Daya balik terjadi disebabkan oleh turunnya daya masukan dari penggerak utama (prime mover). Dampak kerusakan akibat peristiwa motoring adalah lebih kepada penggerak utama itu sendiri. 2. Pemanasan lebih setempat. Pemanasan lebih setempat pada sebagian
stator dapat dimungkinkan oleh : a. kerusakan laminasi b. kendornya bagian-bagian tertentu didalam generator seperti: pasak-pasak stator (stator wedges), terminal ujung-ujung belitan, dsb. 3. Kesalahan paralel. Kesalahan dalam memparalel generator karena syarat-syarat sinkron tidak terpenuhi dapat mengakibatkan kerusakan pada bagian poros dan kopling generator dan penggerak utamanya karena terjadinya momen puntir. Kemungkinan kerusakan lain yang timbul kerusakan PMT dan kerusakan pada kumparan stator akibat adanya kenaikan tegangan sesaat. C. Gangguan sistem (system fault) Generator dapat terganggu akibat adanya gangguan yang datang atau terjadi pada sistem. Gangguan-gangguan sistem yang umumnya terjadi antara lain: 1. Frekuensi operasi yang tidak normal (abnormal frequency operation) Perubahan frekuensi keluar dari batas-batas normal di sistem dapat berakibat ketidakstabilan pada turbingenerator.perubahan frekuensi sistem dapat dimungkinkan oleh tripnya unit-unit pembangkit atau penghantar (transmisi). 2. Lepas sinkron (loss of synchron). Adanya gangguan di sistem akibat perubahan beban mendadak, switching, hubung singkat dan peristiwa yang cukup besar akan menimbulkan ketidakstabilan sistem. Apabila peristiwa inicukup lama dan melampaui batas-batas ketidakstabilan generator, generator akan kehilangan kondisi paralel. Keadaan ini akan menghasilkan arus puncak yang tinggi dan penyimpangan frekuensi operasi keluar dan yang seharusnya sehingga akan menyebabkan terjadinya stress pada belitan generator, gaya puntir yang berfluktuasi dan resonansi yang akan merusak turbin generator. Pada kondisi ini generator harus dilepas dari sistem. 3. Pengaman cadangan (back up protection) Kegagalan fungsi proteksi didepan generator pada saat terjadi gangguan di sistem akan 4. Arus beban kumparan yang tidak seimbang (unbalance armature current). Pembebanan yang tidak seimbang pada sistem atau adanya gangguan satu fasa dan dua fasa pada sistem yang menyebabkan beban generator tidak seimbang dan menimbulkan arus urutan negatif. Arus urutan negatif yang melebihi akan menginduksikan arus medan yang berfrekuensi rangkap dengan arah berlawanan dengan putaran rotor dan akan menginduksikan arus pada rotor yang akan menyebabkan adanya pemanasan lebih dan kerusakan pada bagianbagian konstruksi rotor. III. SISTEM PROTEKSI GENERATOR PLTU PACITAN Sistem Proteksi pada PLTU Pacitan mempunyai sub-sub sistem proteksi yaitu sistem proteksi turbin, sistem proteksi motor dan sistem proteksi listrik. Sistem proteksi listrik sendiri melindungi 2 komponen utama yaitu generator dan transformator. Sistem proteksi pada generator pembangkit menggunakan sistem digital dengan nama produk RCS-985. Berikut diagram blok sistem proteksi generator turbin gas RCS-985 Gambar 3.1 Diagram blok sistem proteksi generator RCS-985 Pada gambar 3.1, terlihat bagian-bagian dari sistem proteksi generator PLTU Pacitan.
Komponen-komponen dari RCS-985 sendiri ditandai oleh garis merah. Analog Input Bagian ini berfungsi untuk menerima variabelvariabel ukur analog lalu merubahnya ke bentuk digital untuk diproses lebih lanjut di CPU. CPU Semua proteksi yang tersedia dan fungsi-fungsi logika disimpan sebagai modul library software didalam CPU MON Modul Berfungsi sebagai fault detector and fault recorder. Modul Sinyal Modul sinyal terdiri dari lima modul yang yaitu, SIG1, SIG2, SIG3 dan SIG4 yang berfungsi memproses Output biner perintah trip, sinyal output trip dan status input biner. Modul DC Power supply terletak di modul DC. mengkonversi DC 250/220/125/110 V ke DC yang berbeda tingkat tegangan yang dibutuhkan oleh berbagai modul peralatan. Output kontak trip (rly) Sebagai interlock untuk pengaman-pengaman atau breaker pada komponen sistem tenaga. 3.1 Fungsi-Fungsi Proteksi Yang Digunakan. Beberapa fungsi proteksi tersedia pada software yang secara permanen tersimpan dalam sistem. Fungsi-fungsi proteksi yang digunakan pada generator disajikan dalam tabel 4.1 Tabel 3.1 Fungsi-fungsi proteksi pada generator No. Fungsi Proteksi Kode IEEE 1. Current differential protection 87G 2. Unrestrained instantaneous 87UG differential protection 3. DPFC current differential 87G protection 4. Spilt-phase transverse 87G differential protection 5. High sensitive transverse 87G differential protection 6. Longitudinal zero sequence 59N/60 overvoltage protection for turn-to-turn fault 7. DPFC directional protection for turn-to-turn fault 7/67 8. Two stages phase-to-phase 21G impedance protection 9. Voltage controlled overcurrent protection 51V 10. Terminal high-current blocking function 11. Fundamental zero sequence 64G1 overvoltage protection for stator earth fault 12. Third harmonic protection for stator earth fault 27/59TN, 64G2 13. Two stages of one-point-earth 64R fault protection of rotor 14. Rotor two-point earth fault protection (Optional) 64R 15. Definite and inverse time 49S stator thermal overload protection 16. Definite and inverse time 46/50, negative sequence overload protection of rotor 46/51, 49R 17. Loss-of-excitation protection 40 18. Out-of-step protection 68/78 19. Two stages phase-to-phase 59G overvoltage protection 20. Accidental energization 50/27 protection 21. Pole disagreement function 92PD 22. Voltage balance function 60 23. Voltage transformer 47,60G supervision 24. Current transformer 50/74 supervision
Berikut adalah diagram kerja dari RCS-985 dibandingkan dengan unit CPU dengan setting yang telah dibuat pada fungsi proteksi. Untuk mendapat inputtan biner CPU mengirim sinyal tsb ke Modul Sinyal. Di dalam Modul Sinyal terdapat Output biner perintah trip, sinyal output trip dan status input biner. Semua proses perintah biner terproses di modul ini. Jika sebuah fungsi proteksi terpilih maka sinyal dari fungsi tersebut atau perintah trip dikirim ke unit binary output juga ke unit Input/Tripping. (a) (b) Gambar 3.2 (a) Prinsip kerja proteksi (b) Prinsip kerja saklar Bagian primer sistem CT dan PT terhubung langsung ke unit transformer input. Sinyal-sinyal dari variabel input ukur CT dan PT diturunkan ke level yang sesuai untuk pemrosesan oleh rangkaian elektronika dan dikirim via sistem kabel ke unit analog input lalu merubahnya ke bentuk digital dan mengirim ke sistem CPU dan MON Modul. Variabel ukur digital yang didapat dari bagian primer sistem secara kontinyu Binary input yang di dapat dari serangkaian pemrosesan di Modul Sinyal lalu dikirim ke unit CP dan Modul MON. Di dalam CPU dan Modul MON sinyal tersebut dapat diartikan menjadi bermacam-macam fungsi proteksi misal kombinasi logika ( interlocking dan blocking ). Modul CPU melakukan fungsi algoritma proteksi, logika tripping. Modul MON melakukan fault detector and fault recorder. Kedua modul tersebut bekerja menggunakan logika And. Apabila fault detector MON berlogik 1 maka saklar akan menutup, lalu menghubungkan kutub positif power supply dari output relay, sumber DC tripping relay pun disalurkan. Dan disisi lain fungsi gerbang G1 adalah untuk menerima perintah tripping yang dikirim dari modul CPU apabila perintah tripping yang dikirim dari modul CPU ke Gate1 berlogik 1, maka transistor akan diaktifkan (disini transistor berguna sebagai saklar), dan relay trip akan menutup lalu breaker pun trip. Interface kondisi operasi untuk indikator gangguan dapat dilihat pada panel RCS-985, Gambar 3.3 menunjukan tampilan lampu LED pada panel RCS-985 Bagian bagian panel : 1. LCD. 2. Indikator LED. 3. 9 tombol key yang terdiri dari 4 tombol panah (,, dan ), tombol plus ( + ), tombol ( - ), kunci escape ( ESC ) untuk mensetting relay.
relay sebagai interlock untuk pengamanpengaman atau breaker pada PLTU Pacitan. 4.2 Saran Gambar 3.3 Panel RCS-985 Healthy ( Hijau ) menunjukkan bahwa relay adalah dalam rangka kerja yang benar, dan harus pada setiap saat. Indikator ini akan padam ketika beberapa kesalahan internal dalam perangkat keras atau perangkat lunak telah terdeteksi oleh self-diagnosing facilities, seperti kesalahan pengaturan, kegagalan power supply, kegagalan sirkuit dan sebagainya. " VT Alarm " ( Yellow ) menunjukkan bahwa relay telah menemukan kegagalan sirkuit VT " CT Alarm " ( Yellow ) menunjukkan bahwa relay telah menemukan kegagalan sirkuit CT " Alarm " ( Yellow ) menunjukkan bahwa relay sudah mengeluarkan alarm. 1. Untuk menghindari masalah-masalah kerusakan sistem proteksi dan menjaga keandalan dari fungsi sistem proteksi maka seharusnya dilakukan pemeliharaan secara berkala terhadap semua komponen dari sistem proteksi. 2. Karna menggunakan software dalam pengoperasiaannya, sebaiknya harus lebih teliti dan cermat dalam pengoperasiannya. Lalu pemeriksaan komponen hardware juga harus di lakukan secara berkala untuk memperoleh kinerja alat yang maksimal nantinya. DAFTAR PUSTAKA [1] Christian Mamesah, Proteksi Sistem Tenaga Listrik 1, Electrical Department TEDC Bandung, 1998. [2] Materi Pelatihan Pemeliharaan Proteksi Pembangkit PT PLN (PERSERO) UDIKLAT, Semarang [3] Modul Pembelajaran Proteksi Sistem Tenaga Listrik Depdiknas 2003 [4] Materi Pelatihan O&M Relai Proteksi Jaringan PT PLN Persero P3B ( RED ) menunjukkan bahwa relay telah mengeluarkan sinyal pengaktifannya. IV. PENUTUP 4.1 Kesimpulan 1. Dengan berbasis sebuah mikroprosesor Motorola MC68332, dalam pengidentifikasian dan penanganan kegagalan/kesalahan RCS-985 bisa lebih cepat dan tepat. 2. Detektor kesalahan yang dikalkulasi dalam MON modul dan elemen operasi yang dihitung dalam CPU modul menggunakan data sampel yang mereka miliki, sehingga peralatan tidak akan beroperasi dengan kesalahan karena salah satu kegagalan data modul. 3. RCS-985 merupakan sistem proteksi yang terintegrasi yang memiliki sistem peringatan adanya gangguan berupa nyala lampu LED pada panelnya. RCS-985 juga dilengkapi lock-out
BIODATA Satrio Wibowo Dilahirkan di Pemalang pada tanggal 12 Maret 1993. Riwayat pendidikan: SD Negeri 3 Banjaran Pemalang, SMP Negeri 2 Pemalang, SMA Negeri 1 Pemalang, dan sekarang sedang melanjutkan studi S- 1 di Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro, Semarang. Semarang, Desember 2013 Mengetahui, Dosen Pembimbing Ir. Yuningtyastuti, MT. NIP. 195209261983032001