STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER BUS DI PT. LINDE INDONESIA GRESIK

STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER BUS DI PT. LINDE INDONESIA GRESIK Nama : Sandi Agusta Jiwantoro NRP : 2210105021 Pembimbing : 1. Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT. 2. Dr. Dedet Candra Riawan, ST. M.Eng Sidang Tugas Akhir (Genap 2011-2012) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS

Pendahuluan Latar Belakang Tujuan Batasan Masalah

Latar Belakang Dalam upaya meningkatkan kegiatan operasionalnya, PT. Linde Indonesia Gresik akan mengoperasikan 4 unit kompresor baru, yaitu kompresor GC-1A, GC-1B, GC-1C sebesar 350 kw, dan kompresor BC sebesar 240 kw. Untuk melayani beban beban tersebut PT. Linde mengekspansi bus eksisting dengan cara menambahkan bus baru. Pada pengoperasiannya busbar mengalami gangguan dan sistem proteksi gagal mengamankan. Oleh karena itu, perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial pada busbar. Proteksi ini berguna untuk melindungi bagian busbar yaitu bagian yang berada di dalam zona pengaman diferensial. Sehingga bila terjadi gangguan dapat diisolasi dan tidak mengganggu sistem bagian yang lain serta kerusakan peralatan dapat dihindari

Tujuan 1.Memodelkan, mensimulasikan, dan menganalisis kelistrikan PT. Linde Indonesia Gresik. sistem 2.Memperoleh nilai knee point yang tepat pada current transformer agar CT dapat membaca gangguan dengan baik sehingga tidak terjadi kesalahan pada sistem proteksi diferensial. 3.Memperoleh setting proteksi diferensial yang tepat pada busbar sehingga gangguan dapat diisolasi dan tidak mengganggu bagian sistem yang lain serta kerusakan peralatan dapat dihindari.

Batasan Masalah 1.Bagaimana menentukan knee point dari current transformer agar CT dapat membaca gangguan dengan baik sehingga tidak terjadi kesalahan pada sistem proteksi diferensial 2.Bagaimana setting proteksi diferensial pada busbar yang terhubung dengan 4 unit kompresor baru.

Teori Penunjang Transformator Arus Rele Diferensial Rele Diferensial Tegangan (Impedansi Tinggi) Prinsip Kerja Rele diferensial

Transformator arus Transformator arus / Current Transformer (CT), digunakan untuk mengukur aliran arus pada jaringan sistem tenaga listrik. Kumparan primer trafo dihubungkan seri dengan rangkaian atau jaringan yang akan diukur arusnya sedangkan kumparan sekunder dihubungkan dengan meter atau dengan rele proteksi. Pada transformator arus biasa dipasang burden pada bagian sekunder yang berfungsi sebagai impedansi beban. Gambar 1 Rangkaian Kontruksi Transformator Arus

Rele diferensial Rele diferensial merupakan suatu rele yang prinsip kerjanya berdasarkan kesimbangan (balance), yang membandingkan arus-arus sekunder transformator arus (CT) terpasang pada terminal-terminal peralatan atau instalasi listrik yang diamankan. Rele diferensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada busbar bila terjadi suatu gangguan. Rele ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat.

Rele diferensial teganggan (Impedansi tinggi) Rele differensial tegangan bekerja menggunakan respon tegangan atau impedansi tinggi. Transformator arus diperlukan dalam setiap line yang tersambung dengan bus seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Proteksi diferensial tegangan pada bus tidak terbatas pada jumlah sumber dan load feeder yang terhubung pada bus, serta memiliki fitur sebagai berikut : [4] Bekerja dengan kecepatan tinggi dari 1 cycle hingga 3 cycle. Mempunyai sensifitas tinggi dapat bekerja pada gangguan arus phasa atau arus gangguan ke tanah dengan besaran yang kecil (low value). Membedakan antara gangguan eksternal dan internal.

Gambar 2 Rele Diferensial Tegangan. Prinsip kerja Rele diferensial tegangan (Impedansi tinggi) Pertama, tidak bekerja / trip untuk setiap gangguan yang berada di luar zona pengaman. Kedua, harus dapat bekerja untuk semua gangguan yang berada di dalam zona pengaman. Dengan mempertimbangkan persyaratan pertama, lihat Gambar 2. Asumsikan bus tiga buah pemutus dengan gangguan pada lokasi yang ditunjukkan pada F 3. Untuk gangguan F 3, arus gangguan I 3 mengalir melalui circuit breaker 3 kemudian mengalir melalui circuit breaker 3 dan circuit breaker 2. Dengan nilai setiap arus yang mengalir pada circuit breaker 1 dan circuit breaker 2 lebih kecil dengan jumlah yang sama dengan I 3. Assumsikan bahwa CTs memiliki sifat ideal. Maka arus CT sekunder yang dihasilkan dari circuit breaker 1 sama dengan jumlah arus yang dihasilkan dari circuit breaker 1 dan circuir breaker 2. Arus ini mengalir pada sirkuit sekunder dan menghasilkan tegangan pada titik A dan titik B.

Skema impedansi tinggi Gambar 3 Skema Impedansi Tinggi Skema diferensial impedansi tinggi, impedansi pada diferensial memiliki resistansi tinggi yaitu 1000 ohm sampai dengan 2000 ohm. Titik persimpangan (junction point) setiap rangkaian CTs terhubung ke elemen impedansi tinggi. Untuk gangguan internal dan eksternal, semua CTs harus mampu mengalirkan arus yang melalui impedansi tinggi dan dimana terdapat stabilizing resistor yang menimbulkan tegangan untuk dibaca oleh rele overvoltage (59). Skema diatas menggunakan varistor logam-oksida (MOV) secara paralel dengan stabilizing resistensi. Sebuah MOV dipilih untuk untuk menahan tegangan pada level safety maksimum. Peralatan 50 digunakan untuk memberi sinyal yang dibutuhkan selama arus diferensial mengalir misalnya untuk inisialisasi kegagalan pemutus (breaker failure initiate). Peralatan 86 digunakan untuk memberikan sinyal trip pada breaker

ANALISA Pemilihan Transformator Arus Berdasarkan Kurva Saturasinya. Skema Diferensial Impedansi Tinggi Pada Bus 31. Setting Diferensial Impedansi Tinggi.

Ruang Lingkup Pengaman Diferensial Gambar 4 Single Line Diagram Bus 31 dan Bus 1APD-MCC-1

Pemilhan transformator arus Ada beberapa transformator arus yang digunakan pada pengaman busbar yaitu CT 38, CT 39, CT 40, CT 41 dan CT 42. CT disini memiliki fungsi yang sangat penting dimana akurasinya dibutuhkan agar tidak salah dalam membaca arus gangguan. CT akan mengirim besaran ke rele sehingga rele dapat membaca dan mengolah data untuk memberikan perintah ke pemutus sirkuit (circuit breaker). Akurasi CT berhubungan dengan karakteristik saturasinya. Untuk itu diperlukan perhitungan untuk dibandingkan dengan nilai knee point yang ada pada Gambar 5 agar akurasi CT terjaga.

Gambar 5 Kurva Eksitasi untuk Transformator Arus Multi-Ratio Kelas C [3]

Tabel 1 Data Current Transformer

Agar current transformer bisa mendeteksi adanya gangguan dengan baik dibutuhkan CT dengan nilai knee point minimal dua kali.[1] Keterangan : = Setting tegangan minimum = Arus Gangguan maksimum lewat primary ampere = Ratio lilitan CT = Resistansi dari sekunder CT = Total Resistansi dari kawat timah antara CT dan Rele

Gangguan di bus 31

Tabel 2 Hasil Perhitungan dengan Gangguan di Bus 31 Elemen Arus Kontribusi Gangguan (A) Tegangan Terbangkit (V) Setting Knee Point (V) I CT38 378 1.116 2.233 I CT39 13420 39.639 79.278 I CT40 549 1.621 3.242 I CT41 549 1.621 3.242 I CT42 549 1.621 3.242 90 80 70 Gangguan di Bus 31 Tegangan (V) 60 50 40 30 20 10 Tegangan Terbangkit Setting Knee Point knee point IEEE 0 Ict38 Ict39 Ict40 Ict41 Ict42

Gangguan di bus 14

Tabel 3 Hasil Perhitungan dengan Gangguan di Bus 14 komponen Arus Kontribusi Gangguan Tegangan Terbangkit Setting Knee Point (A) (V) (V) I CT38 352 1.039 2.078 I CT39 12589 37.184 74.368 I CT40 515 1.521 3.042 I CT41 515 1.521 3.042 I CT42 13971 41.266 82.532 Tegangan (V) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Gangguan di Bus 14 Ict38 Ict39 Ict40 Ict41 Ict42 Tegangan Terbangkit Setting Knee Point knee point IEEE

Gangguan di bus 17

Gangguan di bus 20

Gangguan di bus 22

Skema diferensial impedansi tinggi pada bus 31 1APD-MCC-1 CT 39 BUS 31 3.3 kv Junction box High impedance bus differential scheme CT 38 CT 40 CT 41 CT 42 Rs 59 86 50 MOV BUS 22 BUS 20 BUS 17 BUS 14

Data elemen yang digunakan pada skema diferensial impedansi tinggi Tabel 7 Data Elemen Pada Skema Diferensial Impedansi Tinggi. R L R CT R S 0.0363 ohm 0.2 ohm 2000 ohm nct 400/5 Gambar 6 Karakteristik Arus dan Tegangan dari MOV

Setting diferensial impedansi tinggi 1. Level Arus Hubung Singkat Tabel 8 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 31 Arus Kontribusi Arus Kontribusi Komponen Gangguan Gangguan Maksimum 3 Phasa Maksimum Single (A) Line to Ground (A) I CT38 378 3 I CT39 13420 182 I CT40 549 5 I CT41 549 5 I CT42 549 5 Arus gangguan maksimum 3 phasa : I CT38 + I CT39 + I CT40 + I CT41 + I CT42 378 A + 13420 A + 549 A + 549 A+549 A = 15445 A Arus gangguan maksimum single line to ground I CT38 + I CT39 + I CT40 + I CT41 + I CT42 3 A + 182 A + 5A + 5A + 5A = 200 A

Tabel 9 Arus Kontribusi Gangguan Minimum Pada Bus 31 Komponen Arus Kontribusi Gangguan Minimum 3 Phasa (A) Arus Kontribusi Gangguan Minimum Single Line to Ground (A) I CT38 0 0 I CT39 9100 200 I CT40 0 0 I CT41 0 0 I CT42 0 0 Arus gangguan minimum 3 phasa = 9100 A Arus gangguan minimum single line to ground = 200 A

Kondisi Gangguan Eksternal (Gangguan Pada Bus 14, Bus 17, Bus 20, Bus 22) Tabel 10 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 14 Arus Kontribusi Arus Kontribusi Komponen Gangguan Gangguan Maksimum 3 Maksimum Single Phasa (A) Line to Ground (A) I CT38 352 3 I CT39 12589 181 I CT40 515 5 I CT41 515 5 I CT42 13971 194 Arus gangguan maksimum 3 phasa : I CT38 + I CT39 + I CT40 + I CT41 352 A + 12589 A + 515 A + 515A = 13971A Arus gangguan maksimum single line to ground I CT38 + I CT39 + I CT40 + I CT41 3 A + 181 A + 5A + 5A = 194 A

Tabel 11 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 17 Arus Kontribusi Arus Kontribusi Komponen Gangguan Gangguan Maksimum 3 Maksimum Single Phasa (A) Line to Ground (A) I CT38 352 3 I CT39 12589 181 I CT40 13971 5 I CT41 515 194 I CT42 515 5 Arus gangguan maksimum 3 phasa : I CT38 + I CT39 + I CT40 + I CT42 352 A + 12589 A + 515 A + 515A = 13971A Arus gangguan maksimum single line to ground I CT38 + I CT39 + I CT40 + I CT42 1 A + 181 A + 5A + 5A = 194 A

Tabel 12 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 20 Arus Kontribusi Arus Kontribusi Komponen Gangguan Gangguan Maksimum 3 Phasa Maksimum Single (A) Line to Ground (A) I CT38 352 3 I CT39 12589 181 I CT40 13971 194 I CT41 515 5 I CT42 515 5 Arus gangguan maksimum 3 phasa : I CT38 + I CT39 + I CT41 + I CT42 352 A + 12589 A + 515 A + 515A = 13971A Arus gangguan maksimum single line to ground I CT38 + I CT39 + I CT41 + I CT42 3 A + 181 A + 5A + 5A = 194 A

Tabel 13 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 22 Arus Kontribusi Arus Kontribusi Komponen Gangguan Gangguan Maksimum 3 Phasa Maksimum Single (A) Line to Ground (A) I CT38 14125 196 I CT39 12580 181 I CT40 515 5 I CT41 515 5 I CT42 515 5 Arus gangguan maksimum 3 phasa : I CT39 + I CT40 + I CT41 + I CT42 12580 A + 515 A + 515 A + 515A = 14125A Arus gangguan maksimum single line to ground I CT39 + I CT40 + I CT41 + I CT42 181 A + 5 A + 5A + 5A = 196 A

2. Stabilitas Pada Gangguan Eksternal (security check) Dimana k adalah 1 untuk gangguan tiga phasa, dan k adalah 2 untuk gangguan single line to ground Tabel 14 Tegangan terbangkit di rele diferensial Gangguan VR_3PH VR_SLG Bus 14 41.27 0.25 Bus 17 41.27 0.25 Bus 20 41.27 0.25 Bus 22 41.71 0.26

Dengan CTs yang dibebani gangguan eksternal yang berbeda - beda pada beberapa elemen jaringan, maka perlu dipertimbangkan tegangan rele tertinggi. Dalam hal ini, tegangan tertinggi pada gangguan eksternal adalah 41.71 V. Dengan asumsi margin perlindungan pengaman (protection security margin) 1,6 ketika melakukan setting pickup dari actuator tegangan (59) dengan perhitungan di bawah ini. VPKP = 1.6 41.71V = 66.73V Aktuator arus (50) yang digunakan dalam skema, setting pickup yang diperlukan berada di bawah arus gangguan minimum. Dengan asumsi margin keandalan 0.5 maka : IPKP =

3. Verifikasi dari Rating Tegangan CT (check keandalan) Dengan rekomendasi di bawah 0.67 sampai 0.5 dari akurasi tegangan kelas untuk mempertahankan respon dengan kecepatan tinggi untuk gangguan internal maka : 66.73V < 67 V = (0.67 100V)

Sensivitas Pada Gangguan Internal. Untuk memenuhi sensivitas pada gangguan internal maka diperlukan nilai operasi minimum dalam primary ampere untuk sistem proteksi bus ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut: Eksitasi arus pada setting tegangan dibaca dari kurva-eksitasi CT dengan asumsi 0,08 A pada 66.73 V. Karena ada lima CTs, I EX adalah 5 0,08 A = 0,4 Arus MOV pada pengaturan tegangan diperoleh dari karakteristik MOV. Karakteristik MOV diberikan dalam volt peak dan amp peak sehingga perlu dikonversi ke nilai RMS. 66.73V 2 = 133.46 V. Dengan tegangan 133.46 V arus MOV memiliki nilai yang sangat kecil sehingga dapat diabaikan karena tidak signifikan dalam perhitungan. Impedansi beban arus pada pengaturan tegangan adalah 66.73 V/2000 Ω = 0,0334 A. Iop = (0.4+ 0.0 + 0.0334) 80 = 34.67 A PRIMARY

Setting Waktu Untuk setting waktu berdasarkan rekomendasi dari IEEE [4], rele diferensial beroperasi dari 1 cycle hingga 3 cycle. Dengan frekuensi 50 Hz maka akan diperoleh setting waktu sebagai berikut. Perhitungan untuk 1 cycle Perhitungan untuk 3 cycle Dari perhitungan diatas maka setting waktu yang di rekomendasikan yaitu 20 ms sampai 60 ms. Pada skema diferensial impedansi tinggi ini dibutuhkan respon waktu yang cepat agar peralatan dapat terlindungi sehingga dipilih setting waktu rele sebesar 20 ms.

KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis yang telah dilakukan untuk setting pengaman rele differensial pada bus 31 yang terhubung dengan 4 kompresor baru, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Dengan penambahan bus 31 yang rentan terhadap gangguan maka perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial. 2. Zona proteksi diferensial berada di daerah bus 31. Sehingga bus 31 berada pada zona internal proteksi diferensial dan bus yang lain yaitu bus 14, bus 17, bus 20 dan bus 22 berada di zona eksternal proteksi diferensial. 3. Pada gangguan di zona internal proteksi differensial bus impedansi tinggi yaitu gangguan pada bus 31 menunjukkan bahwa beban paling besar ditanggung oleh CT 39. 4. Untuk gangguan di zona eksternal proteksi differensial bus impedansi tinggi yaitu gangguan pada bus 14, bus 17, bus 20 dan bus 22. Beban paling besar yang ditanggung oleh CT dimana gangguan itu terjadi

KESIMPULAN (2) 5. Setting knee point CT diperoleh dengan mempertimbangkan beban maksimum yang ditanggung oleh masing masing CT ketika mengalami gangguan baik di zona internal maupun zona Eksternal proteksi diferensial bus impedansi tinggi. 6. Dengan membandingkan Setting knee point dengan kurva eksitasi untuk transformator arus kelas C pada IEEE Guide for the Application of Current Transformer Used for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C37. 110-1996, maka pemilihan rasio CT 400:5 sesuai dengan kebutuhan. 7. Untuk memenuhi kriteria keandalan dengan mempertimbangkan sensitivitas pada gangguan internal maka nilai arus operasi minimum berada dibawah nilai arus hubung singkat minimum. 8. Dengan mempertimbangkan rekomendasi dari IEEE maka dipilih setting waktu sebesar 20 ms.

Sekian & Terima kasih

Daftar pustaka [1]R.M. Rifaat, Considerations in Applying Power Bus Protection Scheme to Industrial and IPP Systems, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 40, no.6, Nov/Dec. 2004. [2]IEEE Guide for Protective Relay Application to Power System Buses, IEEE Standard C37.234-2009. [3]IEEE Guide for the Application of Current Transformer Used for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C37. 110-1996. [4]IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems, IEEE Standard 242-2001.