Studi Koordinasi Proteksi Sistem Pembangkit UP GRESIK (PLTG dan PLTU) Rifgy Said Bamatraf; Margo Pujiantara, Dedet Chandra Riawan Jurusan Teknik Elektro FTI ITS Abstrak - Proteksi terhadap sistem kelistrikan serta peralatannya adalah hal yang sangat dibutuhkan dalam industri. Sistem proteksi berperan penting dalam mendeteksi adanya gangguan dan dapat mencegah kerusakan yang diakibatkan gangguan. Koordinasi sistem proteksi yang baik akan mengisolasi daerah gangguan dan mencegah pemadaman di daerah lain. Hal ini dapat meningkatkan keandalan sistem dengan menjaga kontinyuitas suplai pada beban. Untuk menjaga dan meningkatkan performa sistem proteksi perlu dilakukan suatu studi terhadap koordinasi rele pengaman yang terpasang. Tugas Akhir ini bertujuan untuk menyajikan analisis terhadap koordinasi rele pengaman pada Unit Pembangkit PLTU dan PLTG PT.PJB GRESIK. Dari dua tipikal koordinasi yang dianalisis dapat diketahui bahwa ada beberapa kesalahan koordinasi pada setelan (setting) pickup dan time delay. Dari hasil analisis dalam tugas akhir ini, direkomendasikan melengkapi peralatan pengaman khususnya pada pengaman generator, penyetelan ulang rele, dan penggantian sistem pentanahan menggunakan sistem pentanahan dengan impedansi (NGR). Kata Kunci Koordinasi, rele pengaman generator, gangguan I. Pendahuluan Dalam upaya melayani kebutuhan masyarakat Unit Pembangkit Gresik mengoperasikan PLTG 2 26 MMMM, PLTU 2 100 MMMM dan 2 200 MMMM. PLTG dibangun pada tahun 1976. PLTU 2 100 MW dibangun pada tahun 191 sedangkan PLTU 2 200 MMMM dibangun pada tahun 197. Jadi umur pembangkit PLTG #1 dan #2 yaitu 35 tahun sedangkan PLTU #1 dan #2 berumur 30 tahun dan #3 dan #4 berumur 24 tahun. Sejak dibangun sampai saat ini sistem proteksi listrik pembangkit PLTU dan PLTG belum pernah di studi ulang apakah kelayakannya masih terjamin, dengan usia yang sudah lebih dari 20 tahun serta pertumbuhan pembangkit disekitarnya maka evaluasi terhadap sistem proteksi di PLTU dan PLTG mutlak diperlukan untuk menjamin keandalan dari sistem pembangkit secara keseluruhan. Untuk itu, dipandang perlu untuk melaksanakan Studi Koordinasi Proteksi Sistem Unit Pembangkit Gresik, untuk memperoleh rekomendasi setting dan kelengkapan peralatan pengaman pada unit pembangkit sehingga dapat mencapai keandalan serta stabilitas yang layak. II. Sistem Kelistrikan dan Evaluasi Peralatan Pengaman PLTG dan PLTU Sistem kelistrikan di PT PJP UP Gresik dibagi kedalam dua blok, yaitu blok PLTU dan PLTG. Blok PLTU terdiri atas 4 pembangkit yaitu, pembangkit #1 dan #2 dengan kapasitas 100 MW dan pembangkit #3 dan #4 dengan kapasitas 200 MW. Blok PLTG hanya memiliki dua pembangkit yaitu, pembangkit #1 dan #2 26 MW. Gambar di bawah ini akan menunjukkan single line diagram dari masing-masing blok. Gambar 1. Single Line Diagram PLTG 1
Gambar 2. Single Line Diagram PLTU Sistem pengaman yang lengkap dibutuhkan untuk melindungi unit pembangkit PLTU dan PLTG, dengan begitu maka unit pembangkit dapat melayani kebutuhan masyarakat dengan baik. Adapun terdapat peralatan pengaman yang digunakan untuk mengamankan masing-masing unit pembangkit. Jadi jika terjadi gangguan secara tiba-tiba maka peralatan pengaman dapat mengisolasi daerah terjadinya gangguan sehingga gangguan tidak menyebar ke peralatan yang lain [1]. Namun tidak semua peralatan pengaman pada PLTU dan PLTG dapat mengatasi semua gangguan yang mungkin terjadi, oleh karena itu dibuat perbandingan antara kelengkapan peralatan pengaman PLTU dan PLTG dengan standar IEEE. Berikut ini adalah tabel perbandingannya. Tabel 1. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTU dengan Standar IEEE No. 1 2 3 4 Function Voltage balance or loss of potential relay Volts/hertz overexcitation protection for the generator and its associated step-up and auxiliary transformers Frequency relay. Both under frequency and overfrequency protection may be required Differential relay. Primary phase-fault protection for the generator Device No. IEEE PLTU 1/2 PLTU 3/4 60G 60G2 60G4 24 v/f v/f 1 95G-L / 95G-H 95G-L / 95G-H 7G 7G 7G 5 Loss of field protection 40 40G 40G 6 Stator unbalanced current protection. Negative sequence 46 46G 46G relay 7 Voltage controlled or voltagerestrained time overcurrent relay. Backup for system and generator zone phase faults 51V 51VG - 2 Lanjutan Tabel 1. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTU dengan Standar IEEE No. Function Device No. IEEE PLTU 1/2 PLTU 3/4 Voltage relay. Primary protection for rotor ground 64F 64GE 64GE faults 9 Differential relay. Primary protection for GSU or UAT 7T 7AT 7AT transformer 10 Undervoltage relay 27 - - 11 Overvoltage protection 59 - - 12 Reverse-power relay. Motoring protection 32 91A-91B - 13 Differential relay for overall unit and transformer 7U 7GT 7GT 14 Main Transformer Neutral Time overcurrent relay 51TN1 51NMT 51NMT 15 Generator neutral overvoltage 59GN 64G 64G 16 Time overcurrent relay. Provides backup protection for 51TN2 51NAT 51NAT GSU ground faults 17 Distance relay. Backup for system and generator zone 21-44 phase faults 1 Stator thermal protection 49 - - 19 instantaneous overcurrent relays 50 - - 20 Ground Fault Time overcurrent relays with instantaneous 50/51GN - - element 21 Time overcurrent relay 51 51AT 51AT 23 Transformer oil gas level 71 - - 24 Loss of synchronism protection 7 - -
Tabel 2. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTG dengan Standar IEEE No. Function Device No. IEEE PLTG 1/2 1 Voltage balance or loss of potential relay 60G - 2 Volts/hertz overexcitation protection for the generator and its associated step-up and auxiliary transformers 24-3 Frequency relay. Both under frequency and overfrequency protection may be 1 - required 4 Differential relay. Primary phase-fault protection for the generator 7G 7G 5 Loss of field protection 40 40G 6 Stator unbalanced current protection. Negative sequence relay 46 46G 7 Voltage controlled or voltage-restrained time overcurrent relay. Backup for 51V - system and generator zone phase faults Voltage relay. Primary protection for rotor ground faults 64F 64F 9 Differential relay. Primary protection for GSU or UAT transformer 7T 7T 10 Undervoltage relay 27 27 11 Overvoltage protection 59 59G 12 Reverse-power relay. Motoring protection 32 32G Lanjutan Tabel 2. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTG dengan Standar IEEE No. Function Device No. IEEE PLTG 1/2 13 Differential relay for overall unit and transformer 7U - 14 Main Transformer Neutral Time overcurrent relay 51TN1-15 Generator neutral overvoltage 59GN - 16 Time overcurrent relay. Provides backup protection for GSU ground faults 51TN2 64TN 17 Distance relay. Backup for system and generator zone phase faults 21-1 Stator thermal protection 49-19 instantaneous overcurrent relays 50 50T 20 Ground Fault Time overcurrent relays with instantaneous element 50/51GN 50/51GN 21 Time overcurrent relay 51-22 Exciter or dc generator relay 53-23 Transformer oil gas level 71-24 Loss of synchronism protection 7 - III. Evaluasi dan Perbaikan Koordinasi Relay A. Koordinasi Pengaman Overcurrent Phasa Peralatan pengaman overcurrent adalah peralatan yang mutlak perlu dikoordinasikan. Berikut ini plot dari tipikal pengaman overcurrent phasa pada unit pembangkit PLTU Gambar 3. Hasil Plot Kurva Eksisting Koordinasi Pengaman Overcurrent Fasa Dari hasil plot tersebut dapat diketahui bahwa terdapat miskoordinasi pada setting instan pengaman overcurrent phasa. Dengan setting yang demikian, maka terjadi gangguan hubung singkat pada daerah 4.16 kv, setting instan rele beban dalam hal ini pengaman motor tidak trip namun pengaman overcurrent pada rele 7AT akan men-trip-kan pembangkit. Hal ini akan sangat 3 merugikan. Seharusnya pengaman beban yang harus trip. Oleh sebab itu sebaiknya setting tap pada rele 7 AT perlu dinaikkan dan pengaman instan beban diturunkan. Dengan mengacu pada aturan sebelumnya, maka dapat dilakukan perhitungan untuk menentukan setting peralatan pengaman overcurrent fasa PLTU sebagai berikut:
Pengaman Beban (50/51) Dalam menentukan tipikal setting untuk pengaman overcurrent pada beban, maka yang harus diperhatikan adalah beban dengan daya terbesar. Pada PLTU, beban terbesar adalah motor boiler feed pump dengan kapasitas 3 MW. Adapun data yang perlu diperhatikan dalam menentukan setting pengaman overcurrent pada beban adalah sebagai berikut : - Full Load Amperes (FLA) = 4 A - Starting current (I start ) =2440A - Minimum through fault current (I sc Min.) =1992A - Rating CT fasa = 750/5 Dari data tersebut maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut : Low-set Tap (I>) Pick-up = 1.3 FLA = 1.3 4 = 67.4 A I> = 67.4 5 750 = 4.5 A dipilih low-set tap 5A High-set Tap (I>>) 1.3 I start Pick-up 0. I sc Min. Pick-up = 1.5 I start = 1.5 2440 = 3660 A I>> = 3660 750 5 = 24.4 A dipilih high-set tap 25 A Element Instant Overcurrent Rele Diferensial (7AT) Berdasarkan manual book rele GBT2D-BT2, rele tersebut memiliki elemen instant overcurrent yang akan pick-up dan langsung men-trip-kan pembangkit apabila mengalir sebesar kali setting pick-up. Oleh sebab itu, apabila dengan kondisi eksisting setting pickup primer sebesar 640 A, akan menghasilkan setting overcurrent instan sebesar 5120 A seperti yang dapat kita lihat pada Gambar 3 sebelumnya. Seperti yang telah dijelaskan pada rule setting di atas, pick-up overcurrent instant sebaiknya diusahakan berada di atas arus gangguan maksimum yang dapat terjadi di sisi tegangan 4.16 kv. Dengan arus hubung singkat maksimum yang dapat mengalir adalah sekitar 6550 A di sisi primer trafo auxiliary, maka setting pick-up diferensial sisi primer sebaiknya diubah sebagai berikut : - Rating CT Primary = 1000/5 - Rating CT Sekundary = 4000/5 1.1 Isc Max. Pick-up = 1.1 6550 = = 900.625 A Primary Tap = 900.625 1000 = 4.5 A dipilih primary tap 4.6 A 5 Pengaman Trafo Auxiliary (51AT) Untuk menentukan setting pick-up dari rele inverse time overcurrent pengaman trafo auxiliary ini harus diperhatikan FLA primer trafo, yaitu sebesar 615. A. dengan rating CT sebesar 1000/5 maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut: Low-set Tap (I>) Pick-up = 1.3 FLA = 1.3 615. = 00.54 A I> = 00.54 1000 5 = 4.003 A dipilih tap 4 A Dari hasil perhitungan di atas, maka dapat diplot hasil resetting untuk tipikal koordinasi sistem pengaman overcurrent fasa pada sistem kelistrikan PLTU seperti pada gambar berikut. Gambar 4. Hasil Plot Kurva Resetting Koordinasi Pengaman Overcurrent Fasa 4
B. Koordinasi Pengaman Fault Besarnnya arus gangguan ground fault sangat tergantung pada sistem pentanahan yang digunakan. Dimana sistem pentanahan yang digunakan adalah solid. Peralatan pengaman ground fault juga peralatan pengaman yang perlu dikoordinasikan. Adapun untuk melakukan koordinasi tersebut perlu di plot kurva setting eksisting dari pengaman tersebut, kemudian dibandingkan nilai settingannya dengan arus ground fault yang mungkin terjadi. Berikut ini hasil plot dari pengaman ground fault. Gambar 5. Hasil Plot Kurva Pengaman Ground Fault Seperti pada hasil plot di atas, dapat diketahui bahwa terdapat arus gangguan gound fault yang terdapat sangatlah besar. Hal ini disebakan karena sistem pentanahan yang digunakan adalah solid gounding, sehingga arus ground fault yang terjadi sama bahkan lebih besar dari arus gangguan phasa. Hal ini juga dapat merugikan, sebab kejadiannya akan sama dengan kejadian gangguan phasa seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, karena arus gangguan phasa yang mengalir ketika terjadi gangguan ground fault sangat besar, maka pembangkit akan trip, karena pengaman 7AT akan pickup terlebih dahulu. Oleh sebab itu, sebaiknya untuk sistem pentanahan yang digunakan pada tegangan 4.16 kv digunakan sistem pentanahan dengan impedansi (NGR) Dengan menggunakan sistem pentanahan NGR, maka arus ground fault dapat diperkecil sehingga tidak terlalu bahaya bagi sistem. Dengan memeperhatikan kebutuhan grounding peralatan dengan NGR, maka direkomendasikan NGR dengan rating 400 A; 10 sekon. Adapun pemilihan rating NGR ini juga berkenaan dengan CT yang digunakan. Dimana CT yang digunakan adalah residual CT, sehingga dipilih low resistance grounding untuk mengatasi keterbatasan sensitifitas CT. Apabila menggunakan high resistance grounding, maka residual CT tidak akan cukup sensitif untuk mendetksi arus ground fault yang kecil. Dengan adanya penambahan NGR seperti yang telah direkomendasikan, maka untuk menentukan setting ideal dari koordinasi pengaman ground fault dapat dilakukan resetting koordinasi sistem proteksi dengan rule sebagai berikut : 5 Dengan mengacu pada rule di atas, maka dapat dilakukan perhitungan untuk menentukan setting peralatan pengaman ground fault PLTU sebagai berikut : perhitungan sebagai berikut. Pengaman Beban (50N) Untuk pengaman ground fault pada beban, yang akan digunakan adalah definite time ground overcurrent. Dengan rating CT sebesar 750/5, maka rele ini dapat di-set pada kemampuan maksimum dari sensitifitasnya, yakni sekitar 10% dari rating primer CT. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, dengan menggunakan NGR maka arus ground fault maksimum dibatasi pada nilai 400 A. Dengan arus ground fault maksimum sebesar 400 A, rele pengaman beban dapat di-set pada 75A. adapun setting waktu yang direkomendasikan adalah 0.7 detik. Hal ini sebagai antisipasi dari adanya arus starting yang sangat besar akibat humidity yang tinggi. Humidity tersebut akan hilang sebelum 0.7 detik, sehingga dapat menghindari motor trip saat start. Berikut ini perhitungan untuk menentukan tap yang digunakan. I> = 75 750 5 = 0.5 A Pengaman Trafo Auxiliary (51NAT) Untuk pengaman ground fault pada trafo auxiliary, yang digunakan adalah rele inverse
time ground overcurrent. Dengan rating CT sebesar 3000/5 dan range setting minimum sebesar 4 A, maka arus ground fault minimum yang dapat terdeteksi adalah sebesar 2400 A. Hal ini tentu tidak sesuai dengan penggunaan NGR di mana arus ground fault maksimum yang dapat terjadi hanya sebesar 400 A. Oleh sebab itu direkomendasikan juga penggunaan CT yang lebih sensitif, misalnya 75/5. Untuk setting pick-up, rele ini juga dapat diset pada 75 A dengan waktu operasi 1 detik pada arus maksimum 400 A. Hal ini disesuaikan dengan grading time rele pengaman beban sehingga menghjasilkan koordinasi yang baik. Adapun perhitungan untuk menentukan tap yang digunakan adalah sebagai berikut. I> = 75 75 5 = 5 A Sedangkan untuk menentukan time dial yang harus digunakan agar waktu operasinya 1 detik pada arus maksimum 400 A, dapat didasarkan pada manual book rele yang digunakan yaitu rele ICO1D-AT1. Dikarenakan nilai 400 A adalah 5.33 kali dari pick-up 75 A, maka kurva yang digunakan adalah kurva dengan time dial yang menghasilkan waktu sekitar 1 detik pada nilai arus 5 kali pick-up-nya. Dengan melihat pilihan tap di atas, maka time dial yang dipilih adalah time dial 3. Berikut rincian setting untuk rele 51NAT: - CT Ratio = 75/5 - Pick-up tap = 5 A - Time Dial = 3 Pengaman Main Transformer (51NMT) Untuk pengaman ground fault pada main transformer, setting yang digunakan sudah sangat tepat, sehingga tidak perlu ada perubahan. Dari hasil perhitungan di atas, maka dapat di-plot hasil resetting untuk tipikal koordinasi sistem pengaman ground fault pada sistem kelistrikan PLTU seperti pada gambar berikut. Gambar 6. Hasil Plot Kurva Resetting Koordinasi Pengaman Ground Fault Untuk pengaman ground fault pada PLTG yang dapat dibahas adalah rele proteksi generator 7UM62. Berikut ini adalah data setting rele tersebut: - CT Ratio : 10/5 - I> pick up : 10 ma - I> Td : 3.00 sec - I>> pick up : 23 ma - I>> Td : 1.00 sec Untuk sistem pentanahan yang digunakan pada generator adalah sudah menggunakan high resistance grounding, sehingga arus ground fault yang dapat terjadi sangatlah kecil. Adapun rating CT yang digunakan sudah cukup sensitif, sehingga rele dapat membaca arus ground fault yang sanagt kecil, sedangkan untuk setting time dial yang digunakan juga sudah cukup lama yaitu, 1 detik untuk 6 setting high-set, dan 3 detik untuk setting low-set. Sehingga untuk setting pengaman ground fault pada PLTG sudah cukup baik. V. Kesimpulan dan Saran A. Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisis yang dilakukan, terdapat beberapa hal yang dapat disimpulkan, yaitu: 1. Terdapat beberapa fungsi pengaman generator belum tersedi seperti reverse power, lost of synchro, dan pengaman thermal stator. 2. Terdapat beberapa fungsi pengaman utama main/aux transformer belum tersedia, terutama pengaman gangguan internal trafo 3. Untuk meningkatkan keamanan dan keandalan sistem, sebaiknya peralatan pengaman dilengkapi terutama peralatan pengaman utama generator.
4. Terjadi miskoordinasi pada setting pengaman instan overcurrent phasa dan dapat menyebabkan pembangkit trip seketika apabila terjadi gangguan phasa pada sistem 4.16 kv. B. Saran Sistem pentanahan yang digunakan sebaiknya diganti, yaitu pada pentanahan sistem 4.16 kv. Sistem pentanahan yang digunakan adalah solid grounding, sehingga arus gangguan ground fault akan sangat besar sehingga dapat menyebabkan miskoordinasi dengan pengaman phasa. Sistem pentanahan yang direkomendasikan pada tegangan 4.16 kv adalah sistem pentanahan dengan impedansi (NGR) dengan rating 400 A; 10 detik. Perlu dilakukan resetting rele overcurrent (phasa dan ground) pada sistem kelistrikan PLTU sesuai dengan yang telah direkomendasikan. SMA Negeri 1 Makassar pada tahun 2007, penulis melanjutkan pendidikannya di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Jurusan Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah penulis aktif mengikuti berbagai seminar dan pelatihan. Penulis yang merupakan salah satu asisten di Laboratorium Instrumentasi Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga (B.204) ini juga aktif mengikuti berbagai kegiatan kemahasiswaan, salah satunya menjadi Kepala Departemen Komunikasi dan Informasi Ikami Sul-Sel Cab. Surabaya periode 2009-2011. Penulis pernah menjadi octofinalis East Java Varsities English Debate 2009, dan juga best speaker electrical English debate tahun 2009. Penulis dapat dihubungi di alamat email rifgy.saidl@gmail.com. DAFTAR PUSTAKA 1. IEEE Std 242-2001, IEEE Guide for AC Generator Protection, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, Ch. 15, 2001 2. Wahyudi, Diktat Kuliah Pengaman Sistem Tenaga Listrik, Teknik Elektro ITS, Surabaya, Bab 2, 2004 3. INTRODUCTION MANUAL-DIV. IV GENERATOR AND ELECTRICAL EQUIPMENT BOOK E-2 4. Penangsang, Ontoseno, Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Jilid 2, Teknik Elektro ITS, Surabaya, Bab 1, 2006 5. Lazar, Irwin, Electrical System Analysis and Design for Industrial Plant, McGraw-Hill Inc.,USA, Ch. 1, 190 6. Hewitson, L.G. (et al), Practical Power Systems Protection, Elsevier Ltd., USA, Ch.1, 2004 7. Sleva, Anthony F., Protective Relay Principles, CRC Press, USA, Ch. 5, 2009. IEEE Std 242-2001, IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, Ch. 15, 2001 Biografi Penulis Penulis memiliki nama lengkap Rifgy Said Bamatraf. Lahir di Ujung Pandang pada tanggal 15 April 199. Anak kedua dari pasangan Said Bamatraf dan Sri Mawar Said ini mengawali pendidikannya di SDN Mangkura IV pada tahun 1995-2001, kemudian melanjutkan ke SMP Negeri 6 Makassar hingga tahun 2004. Setelah lulus dari 7