Evaluasi Koordinasi Proteksi pada Pabrik III PT. Petrokimia Gresik Akibat Penambahan Current Limiter Risman Adinata Jacob, Margo Pujiantara, Sjamsjul Anam Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief R. Hakim, Surabaya 60 E-mail : margo@ee.its.ac.id Abstrak PT. Petrokimia Gresik merupakan perusahaan milik negara yang didirikan pada tanggal 0 Juli 972 di Gresik, Jawa Timur. Keberadaan PT. Petrokimia Gresik adalah untuk mendukung program pemerintah dalam meningkatkan produksi pertanian nasional. PT. Petrokimia Gresik memiliki tiga buah pabrik yang saling berintegrasi. Pabrik I disuplai menggunakan Gas Turbine Generator (GTG Plant-I) x33 MW. Pabrik II disuplai dengan grid PLN 500MVAsc dan Pabrik III disuplai dengan menggunakan Steam Turbine Generator (STG Plant III) x.5 MW dan x. PT. Petrokimia Gresik juga mengoperasikan GTG dan STG tambahan yang mampu menghasilkan daya listrik sebesar 53 MW untuk memenuhi kebutuhan dan menjamin keberlanjutan pasokan daya listrik demi kelancaran operasional pabrik. Besar arus gangguan hubung singkat pada Pabrik III melebihi kemampuan busbar dalam menahan arus hubung singkat maksimum. Penambahan current limiter bertujuan untuk membatasi arus gangguan pada Pabrik III sesuai dengan kebutuhan. Besar arus gangguan hubung singkat yang telah dibatasi dapat mengakibatkan terjadinya perubahan pengaturan pengaman pada peralatan pengaman yang sudah ada. Evaluasi koordinasi proteksi dilakukan untuk mengetahui apakah pengaturan koordinasi yang ada masih sesuai dengan syarat-syarat pengaman. Hasil evaluasi akan ditampilkan dengan menggunakan kurva time-current characteristic (TCC). Kata kunci arus hubung singkat, current limter, koordinasi proteksi, kurva time-current characteristic I. PENDAHULUAN Perusahaan PT. Petrokimia Gresik merupakan pabrik pupuk terlengkap di Indonesia, yang pada awal berdirinya disebut Proyek Petrokimia Surabaya. PT. Petrokimia Gresik menghasilkan pupuk kurang lebih 6.77.600 ton/tahun, dimana 650.000 ton/tahun dihasilkan dari Pabrik III []. Kelangsungan operasional setiap pabrik PT. Petrokimia Gresik diharapkan memiliki keandalan yang tinggi, sehingga pabrik dapat beroperasi secara maksimal tanpa terjadi gangguan pada sistem kelistrikan. Evaluasi koordinasi proteksi dari gangguan hubung singkat dilakukan untuk meningkatkan keandalan dari sistem kelistrikan. Arus gangguan yang sangat besar mampu merusak peralatan yang terpasang. Arus gangguan tersebut akan dibatasi dengan menggunakan pembatas arus-fuse (current limiter). Evaluasi koordinasi proteksi dilakukan setelah penambahan current limiter pada Pabrik III. Rele arus lebih digunakan untuk mendeteksi arus gangguan hubung singkat yang mengalir pada peralatan listrik. Rele akan bekerja bila ada arus gangguan yang mengalir melebihi pengaturannya (Iset). Rele yang dievaluasi akan di-setting ulang jika diperlukan dan digambarkan karakteristiknya dalam kurva timecurrent characteristic (TCC). TCC merupakan sebuah grafik yang menunjukkan kemampuan dari peralatan listrik, pengaman peralatan listrik, starting motor dalam hubungan arus dan waktu. Kurva TCC akan memberikan informasi apakah pengaman peralatan sudah mampu mengamankan peralatan dengan baik dan memiliki keandalan yang tinggi. II. STUDI SISTEM KELISTRIKAN PT. Petrokimia Gresik terdiri atas tiga buah pabrik yang saling berintegrasi. Pabrik I disuplai menggunakan Gas Turbine Generator (GTG Plant-I) x33 MW. Pabrik II disuplai dengan grid PLN 500MVAsc dan Pabrik III disuplai dengan menggunakan Steam Turbine Generator (STG Plant III) x.5 MW dan x. PT. Petrokimia Gresik juga mengoperasikan GTG dan STG tambahan yang mampu menghasilkan daya listrik sebesar 53 MW untuk memenuhi kebutuhan dan menjamin keberlanjutan pasokan daya listrik demi kelancaran operasional pabrik. Single line diagram PT.Petrokimia Gresik ditunjukkan pada Gambar 2.. Kapasitas transformator yang digunakan PT. Petrokimia Gresik berkisar antara 0.5 35 MVA. Antara transformator T36 dengan busbar B400 dan busbar B-GEN0 dengan MAIN BUSBAR, masing-masing dipasang reaktor dengan besar impedansi ohm dan 0.6 ohm. A. Sistem Pembangkitan Pabrik III Pabrik III PT. Petrokimia Gresik disuplai menggunakan dua pembangkit utama dan satu pembangkit cadangan (Gambar 2.). Kombinasi jaringan dimungkinkan untuk dilakukan pada Pabrik III dengan adanya beberapa pembangkit. Pada kondisi normal dua pembangkit yang bekerja paralel digunakan untuk menyuplai semua beban yang terpasang pada Pabrik III. B. Sistem Distribusi Pembangkit III Sistem jaringan distribusi Pabrik III merupakan sistem jaringan distribusi radial yang dintegrasi dengan pabrik lainnya (Gambar 2.). Pabrik III dintegrasi dengan mengubungkan busbar HVS65 dengan busbar B400 melalui transformator IBT0 20MVA. Transformator distribusi digunakan untuk mendistribusikan daya dari sumber ke beban. Kapasitas transformator yang digunakan berkisar antara 0.35-2 MVA. Transformator distribusi yang digunakan memiliki hubungan delta (Δ) pada sisi tegangan tinggi dan hubungan bintang (Y) pada sisi sekunder. Titik netral pada sisi sekunder dihubungkan ke tanah secara langsung. Transformator ini juga menggunakan tipe liquid-fill dengan kenaikan temperature maksimum yaitu 65.
2 PABRIK I PLN 50kV 500 MVAsc GTG 00 33MW PS-2280.5KV N02.5KV B-GEN 0 6kV BTG00 32 MW COGEN 6 MW STG AM_UR-2 30 MW HV AU-2 7 STG PA-JVC 7.5 MW HV PA-JVC B400 HVS-00/GI50a HVS-00/GI50b 7.5 MW EDG 2.5 MW HVS65 6kV HVS02A- HVS02A-2 PABRIK III PABRIK II UT-L2A UT-L2b 02DE93.25 MW HVS-0 HVS-27 HVS-02B HVS-a/TSP- 6kV HVS-b/TSP- 6kV 03DE-93.25 MW HVS-26 22HVS-29 HVS-2A HVS-2B M Gambar 2. Single line diagram PT. Petrokimia Gresik Busbar utama Pabrik III adalah HVS65. HVS65 digunakan untuk menghubungkan pembangkit dengan saluran distribusi dan sebagai saluran utama hubungan integrasi busbar B400 menuju Pabrik III. Kapasitas HVS65 akan ditunjukkan pada Tabel 2.. Tabel 2. Data kemampuan busbar HVS 65 Tegangan Eksisting Eksisting Busbar (kv) ka-s,sym Making/Bracing HVS 65 6 25 (Design) 62,5 (ka) C. Beban Pabrik III Beban yang terpasang pada Pabrik III merupakan motor induksi yang digunakan untuk menggerakkan peralatan operasional dan beban lumped yang digunakan untuk mendukung kegiatan operasional. Data beban Pabrik III ditunjukkan pada Tabel 2.4. III. HASIL DAN SIMULASI A. Simulasi Hubung Singkat Analisa hubung singkat dilakukan pada busbar utama (HVS 65) dan busbar lainnya dengan mempertimbangkan semua sumber termasuk arus kontribusi dari motor induksi dan beban lumped. Arus hubung singkat yang diperoleh dibandingkan dengan kemampuan busbar dalam menahan arus hubung singkat maksimum ½ cycle. Analisa gangguan hubung singkat Pabrik III dilakukan dengan menggunakan empat kombinasi jaringan yaitu kombinasi transformator IBT 0 pembangkit TG65, transformator IBT0 pembangkit TG66, pembangkit TG65 pembangkit TG66, dan transformator IBT0 pembangkit TG65 dan TG66. Masing-masing kombinasi jaringan akan diberi nama Case, Case2, Case3 dan Case4. Hasil simulasi Case4 ditunjukkan Tabel 3.. Tabel 3. Arus hubung singkat 3Ø dan kemampuan busbar busbar Case4 Arus Hubung Singkat Switchgear ID kv Case4 (ka) Ip (ka) Isc asym Isc peak HVS65 6 62,5 74,627* 23,977* * arus gangguan hubung singkat melebihi kemampuan peralatan Hasil analisa menunjukkan bahwa busbar HVS65 Case4 pada Pabrik III melebihi kemampuan busbar dalam menahan arus hubung singkat maksimum. Pada busbar utama (HVS 65) arus hubung singkat melebihi kemampuannya, yaitu sebesar 58% pada Case, 44% pada Case2, 34% pada Case3, dan 98% pada Case4. B. Current Limiter Salah satu cara membatasi arus hubung singkat pada sebuah sistem kelistrikan ialah dengan menggunakan pembatas arus-fuse (current limiter (CL)). Keuntungan penggunaan current limiter ialah mempunyai resistansi yang sangat kecil ketika dilalui arus normal sehingga resistansi tersebut dapat diabaikan. Kemungkinan pemasangan current limiter ialah antara transformator IBT0 dan HVS65, antara pembangkit TG65 dan HVS65, dan antara pembangkit TG66 dan HVS65. Penempatan pemasangan current limiter ditentukan oleh besarnya arus gangguan hubung singkat ½ cycle yang ditunjukkan pada Tabel3.2. Hasil analisa arus hubung singkat tiga fasa ½ cycle pada Tabel 3.2 menunjukkan bahwa arus hubung singkat yang dikontribusi oleh transformator IBT0 melebihi kemampuan busbar HVS65 sebesar 02.3%. Hasil tersebut menunjukkan salah satu letak pemasangan current limiter ialah antara sisi sekunder transformator IBT0 dan busbar HVS65. Tabel 3.2 juga menunjukkan
3 bahwa pemasangan satu current limiter belum cukup mengamankan switchgear (Ip SW < Ip TG65 + IP TG66 ). Tabel 3.2 Arus hubung singkat tiga fasa ½ cycle pembangkit, TG66 dan transformator IBT0 Dari ke- kv Busbar Arus Hubung Singkat (ka) Ip (ka) Isc peak kontribusi Isc peak IBT0 38,373 63,909* TG65 HVS 65 6 62,5 33,42 59,654 TG66 24,496 50,998 Catatan : * kemampuan busbar pada kondisi critical Arus hubung singkat kontribusi pembangkit TG66 (Ip TG66 <Ip SW ) lebih kecil dari arus kontribusi pembangkit TG65 (Ip TG65 <Ip SW ), dan kapasitas pembangkit TG66 (8.5MW) lebih kecil dari kapasitas pembangkit TG65 (MW). Pemilihan lokasi penempatan current limiter berikutnya ditentukan dari kapasitas pembangkit Pabrik III yang terkecil sehingga total beban yang dapat disuplai lebih besar. Hasil pertimbangan tersebut menunjukkan bahwa lokasi pemasangan current limiter berikutnya antara pembangkit TG66 dan switchgear HVS 65. Gambar 3. memperlihatkan pemasangan current limiter pada switchgear HVS 65 6kV Pabrik III. Gambar 3.2 Arus hubung singkat pada busbar HVS65 Case4 dengan bracing maksimum dan pembatasan Isc t diatur 3 dan 20 ka N404 TG9 MW IN TG CL CL TG66 Gambar 3.3 Arus hubung singkat pada busbar HVS65 Case4 dengan pembatasan Isc t diatur pada 0 dan 2 ka SS-SA TG2 SS2-PA Keterangan : TG6 SS4-CR TG7 TG3 TG4 TG5 TG8 ALF-3 SS5-ZA2 SS6-UT CL current limiter Gambar 3. Pemasangan current limiter Pabrik III Current limiter bekerja dalam rentan waktu 5-0 ms. Analisa yang akurat dapat diperlihatkan melalui simulasi arus hubung singkat tiga fasa ½ cycle. Metode ini dapat disimulasikan pada Etap 7.0 dengan menggunakan arus hubung singkat transien IEC 6363. Hasil bentuk gelombang ½ cycle pertama arus hubung singkat diperlihatkan pada Gambar 3.2. Penentuan pemutusan arus gangguan dapat dilakukan dengan menganalisa gambar. Gambar memperlihatkan bahwa arus gangguan hubung singkat pada busbar HVS 65 mencapai arus puncak jika tidak dipasang current limiter. Analisa Gambar 3.2 menunjukkan harga sesaat dari arus kontribusi transformator IBT0 dan pembangkit TG66 yang harus diputuskan agar busbar HVS65 berada pada kondisi bracing yang aman. Besar arus puncak maksimum yang harus diputuskan current limiter CLIBT0 dan CLTG66 adalah 20 ka dan 3 ka Keamanan busbr dapat ditingkatkan dengan mengatur pemutusan arus puncak gangguan lebih kecil dari 20kA untuk CL IBT0 dan lebih kecil dari 3 ka untuk CLTG66 (lihat Gambar 3.3). SS62-CT SS-STG Current limiter harus dapat beroperasi dengan beberapa kemungkinan kombinasi jaringan. Current limiter pabrikan G&W telah melengkapi produk current limiter mereka dengan rangkaian logika. Rangkaian logika ini dapat digunakan sebagai solusi pengoperasian current limiter yang terpasang pada Pabrik III. Gambar 3.4 dan Tabel 3.3 menunjukkan rangkain logika dan operasi kerja dari current limiter yang digunakan pada Pabrik III. Gambar 3.4 Rangkain logika current limiter Pabrik III C. Koordinasi Proteksi Analisa evaluasi koordinasi dilakukan dengan menggunakan beberapa tipikal. Evaluasi tipikal tersebut akan mewakili evaluasi koordinasi sistem kelistrikan Pabrik III secara keseluruhan. Tipikal Pabrik III memiliki panjang yang sama tetapi kapasitas dan jenis beban berbeda. Tipikal satu dan dua masing-masing terhubung dengan transformator dan motor induksi yang terbesar pada tipikalnya masing-masing. Tipikal tersebut dapat
4 dijadikan sebagai acuan dalam mengatur koordinasi rele Pabrik III. Current limiter bekerja pada gangguan ½ cycle pertama. Operasi kerja tersebut mengakibatkan arus kontribusi pada keadaan steady state hanya dikontribusi oleh sumber yang masih beroperasi.. Tipikal Tipikal hanya terdiri dari enam rele. Rele RTR50 digunakan suntuk mengamankan transformator TR50 dari beban lebih dan gangguan hubung singkat baik pada sisi primer maupun pada sisi sekunder. Rele RSS#5. merupakan rele kedua yang digunakan untuk mengamankan busbar SS#5. ZA2 dan backup rele yang terhubung dengan busbar termasuk rele TR50. Rele berikutnya merupakan RTG3 yang terletak satu feeder dengan rele RSS#5.. Rele ini digunakan untuk back-up dari rele sebelumnya dan pengaturannya dapat di-set sama dengan rele RSS#5.. Rele terakhir pada rele ini adalah RIN TG, RIN TG2 dan RTG9. Ketiga rele ini digunakan sebagai backup rele sebelumnya dan mengamankan busbar utama (HVS65) dari kontribusi arus gangguan transformator IBT0, pembangkit TG65 dan TG66. Rele R dan RTG9 hanya akan bekerja pada arus gangguan di bawah pengaturan pembatas arus current limiter. Single line diagram tipikal ini dapat dilihat pada Gambar 3.5. Penggambaran rele pada kurva TCC dilakukan dengan menentukan setting rele yang digunakan. Setting rele dilakukan dengan menggunakan persamaan low set :. x FLA Ipp 0.8 Isc minimum (3.) Setting rele untuk high set menggunakan persamaan: Iscmax sec Iset 0.8 Iscmin prim (3.2) Pengaturan besar arus pada sisi sekunder juga dapat diketahui dengan persamaan : Pickup = Ipp nct (3.3) Pengaturan time dial pada sebuah rele digunakan untuk memilih tinggi dari sebuah kurva. Time dial dapat diketahui dengan menggunakan persamaan [2] : td = k I α T β Is Tabel 2.3 Koefisien time dial IEC 60255 [2] Jenis kurva k α β Standard inverse 0,4 0.02 2,97 Very inverse 3,5,50 Long time inverse 20 3,33 Extremely inverse 80 2 0,808 Ultra inverse 35,2 2.5 (3.4) baik karena koordinasi waktu antara rele primer dan rele backup lebih besar dari 0.4 detik. TG9 RTG9 CL N404 IN TG RIN TG SS#5. ZA2 RTR50 CB TR50 TR50 2 MVA MW RTG3 TG3 CBSS#5. RSS#5. R CL TG66 Gambar 3.5 Single line diagram Tipikal Gambar 3.6 Kurva TCC existing Tipikal Hasil re-setting ditampilkan pada kurva TCC tipikal pada Gambar 3.7 s/d Gambar 3.9. Time dial untuk jenis kurva RI dapat diketahui dengan persamaan [2] : T td = 0,339 0,236 I (3.5) 3,706 Is Ketika terjadi gangguan di sisi sekunder transformator, maka rele RTR50 akan bekerja 0.02 detik. Rele SS#5.ZA2 sebagai rele backup akan bekerja seteleh 0.698 detik. Rele INTG sebagai rele backup SS#5.ZA2 akan bekerja 2. detik. Koordinasi ini tidak
5 Gambar 3.7 Kurva TCC Tipikal TG65 Gambar 3.9 Kurva TCC Tipikal Pengaman busbar utama (HVS 65) dari kontribusi arus transformator IBT0, pembangkit TG65 dan TG66 masing-masing akan diamankan oleh rele RTG9, RIN TG dan R. Tipikal 2 akan ditunjukkan oleh Gambar 3.0. N404 TG9 MW RTG9 IN TG CL RIN TG CL TG66 RTG2 HVS 65 TG2 CB-0PA B-PA SS-2 R-0PA R-MM2302A Gambar 3.8 Kurva TCC Tipikal TG66 2. Tipikal 2 Tipikal 2.2 terdiri dari enam rele, dan satu fuse dengan pembebanan berupa motor induksi 400 kw. Rele RMM2302A/B digunakan untuk mengamankan motor induksi dari pembeban lebih sedangkan untuk arus gangguan hubung singkat yang terjadi pada motor induksi akan diamankan oleh fuse FMM2302A. Rele R- 0PA merupakan rele berikutnya yang akan mengamankan semua peralatan listrik yang terhubung pada busbar B-PA SS-2. Backup rele R-0PA adalah rele RTG2. Rele RTG2 dan rele R-0PA berada pada satu feeder, maka pengaturan rele dapat di-set sama. M F-MM2302A MM2302A 400 kw Gambar 3.0 Single line diagram Tipikal 2 Hasil pengaturan rele akan ditunjukkan pada kurva time-characteristic. Kurva akan menunjukkan koordinasi dari rele yang telah di-set (Gambar 3.2 s/d 3.4). Kurva fuse tidak ditampilkan pada hasil plot awal tipikal 2, sehingga pada evaluasi ini akan ditampilkan dengan dipilih rekomendasi kapasitas fuse yang akan digunakan.
6 menunjukkan bahwa arus kontribusi TG66 lebih besar dari pengaturan pemutusan arus current limiter. Gambar 3. Kurva TCC existing Tipikal 2 Ketika terjadi gangguan di busbar B-PA SS-2 pada Case2 maka rele R-0PA akan bekerja terlebih dahulu. CLTG66 tidak akan bekerja sehingga rele RINTG2 akan bekerja sebagai backup. RINTG2 akan bekerja 0.663 detik setelah rele R-0PA bekerja. Koordinasi waktu ini tidak baik karena lebih besar dari 0.4 detik. Hasil setting Tipikal 2 ditunjukkan pada Gambar 3.2 s/d Gambar 3.4. Gambar 3. Kurva TCC Tipikal 2 TG66 Berbeda dengan Case3 dan Case4, pada Case2 current limiter tidak di-set agar tidak bekerja, sehingga ketika terjadi gangguan hubung singkat maka rele RIN TG2 akan bekerja 0.368 detik setelah rele R-0PA dan RTG2 bekerja. Gambar 3.2 Kurva TCC Tipikal 2 TG65 Pembangkit TG66 tidak dapat dioperasikan sendiri untuk menyuplai beban pada Pabrik III. Pengoperasian pembangkit TG66 dapat diketahui melalui kombinasi jaringan. Besar arus gangguan pada motor induksi, switchgear B-PA SS-2 dan HVS 65 pada Case3 dan Case4 mengaktifkan current limiter. Gambar 3. Gambar 3.2 Hasil plot Tipikal 2 Hasil plot dari pengaturan rele dan pemasangan current limiter CL IBT0 diperlihatkan pada Gambar 3.2. Pada gambar ditunjukkan besar arus kontribusi dari transformator IBT0 ketika terjadi gangguan pada motor induksi, busbar B-PA SS-2 dan HVS 65. Besar arus kontribusi lebih besar dari pengaturan batas arus current limiter, sehingga saat terjadi gangguan maka current limiter akan bekerja seketika.
7 IV. KESIMPULAN Hasil simulasi dan analisa data telah dibahas pada pokok bahasan sebelumnya. Hasil dari simulasi dan analisa data akan disimpulkan sebagai berikut : a. Arus hubung singkat dapat dibatasi dengan menggunakan pembatas arus fuse (current limiter). Arus hubung singkat pabrik III dibatasi dengan memasang current limiter pada feeder sisi sekunder transformator IBT0 dan feeder pembangkit TG66 menuju busbar HVS 65. b. Pemasangan current limiter harus memperhitungkan arus hubung singkat dari kontribusi jaringan yang berbeda terhadap kekuatan peralatan dalam menahan arus hubung singkat. Arus hubung singkat puncak kontribusi transformator IBT0 dan beban yang terpasang lebih besar dari kekuatan busbar HVS65 menahan arus gangguan puncak, maka current limiter haruslah dipasang untuk membatasi arus gangguan yang melalui switchgear HVS65. c. Busbar HVS65 dapat diamankan dari arus gangguan hubung singkat dengan memotong arus gangguan sesaat (Isc t ) kurang dari 20kA untuk current limiter pada transformator IBT0 (CL IBT0) dan 3 ka pada current limiter yang terpasang pada pembangkit TG66 (CL TG66). d. Operasi kerja current limiter dapat diatur sedemikian rupa dengan menggunakan rangkain kontrol yang terdapat pada current limiter. e. Perubahan arus gangguan hubung singkat dapat menyebabkan terjadinya perubahan koordinasi rele yang sudah terpasang pada sistem. Perubahan arus gangguan hubung singkat menyebabkan perbedaan waktu kerja antara rele backup dan rele primer lebih besar dari 0.4 detik. f. Rele RTG9 pada feeder transformator IBT0 dan rele R pada feeder akan berfungsi sebagai rele backup jika terdapat arus gangguan hubung singkat yang kurang dari pengaturan pembatas arus-fuse (current limiter). UCAPAN TERIMA KASIH Penulis R.A.J mengucapkan terima kasih kepada TUHAN Yang Maha Esa, bapak Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT. dan bapak Ir. Sjamsjul Anam, MT. selaku dosen pembimbing yang dengan sabar memberikan bimbingan, saran dan ilmu dalam penyelesaian penulisan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [] www.petrokimia-gresik.com [2] Schneider Electric, Sepam Series 20 User s Manual, 2008