1 STUDI KOORDINASI RELE ARUS LEBIH DAN PENGARUH KEDIP TEGANGAN AKIBAT PENAMBAHAN BEBAN PADA SISTEM KELISTRIKAN DI PT. ISM BOGASARI FLOUR MILLS SURABAYA Muhammad Reza A 1), Ontoseno Penangsang 2), dan Teguh Yuwono 3). Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: muhammad.reza@ymail.com 1), ontosenop@ee.its.ac.id 2), teguh@ee.its.ac.id 3) Keandalan dan kontinuitas sistem tenaga listrik dengan kualitas daya yang baik sangat dibutuhkan dalam proses produksi suatu industri. PT ISM Bogasari Flour Mills Surabaya yang merupakan industri/pabrik penggilingan tepung berencana untuk melakukan beberapa penambahan beban untuk meningkatkan proses produksinya. Hal ini berdampak pada konfigurasi sistem kelistrikan pabrik yang berubah, salah satunya pada sisi konfigurasi rele. Tugas akhir ini akan membahas pengaturan ulang koordinasi rele arus lebih serta memperhatikan pengaruh gangguan berupa kedip tegangan akibat adanya penambahan beban. Dengan memperhatikan gangguan kedip tegangan serta pengaturan ulang dari beberapa konfigurasi rele tersebut diharapkan dapat diperoleh solusi terbaik dari sisi penambahan daya listrik setelah dilakukan penambahan beban, diperoleh konfigurasi rele yang ideal sehingga dapat mengisolir gangguan dengan cepat, serta diperoleh keandalan dan kontinuitas daya listrik yang terjaga secara optimal. Kata kunci rele pengaman arus lebih, rele undervoltage, koordinasi I. PENDAHULUAN Adanya gangguan pada kehandalan dan kualitas tenaga listrik dalam suatu industri akan merugikan perusahaan dari sisi keuangan karena proses produksi terhambat. Gangguan tersebut bermacam-macam jenisnya, sehingga langkah penanganannya pun tidak sama antara gangguan satu dengan yang lainnya. Lamanya gangguan juga akan mempengaruhi pemilihan jenis alat untuk mengatasi gangguan tersebut. Diantara berbagai macam fenomena gangguan, yang paling banyak terjadi adalah kedip tegangan/voltage sag yaitu turunnya tegangan tiba-tiba dalam waktu kurang dari 1 cycle hingga beberapa cycle. Hanya karena durasi gangguan beberapa ms tersebut dapat menyebabkan produksi berhenti Dalam suatu industri juga diperlukan adanya pengembangan dalam proses produksi, tentunya hal ini berdampak pula pada penambahan beban dan peralatan listrik seperti mesin-mesin listrik, transformator, serta peralatan proteksi dan peralatan instrumentasi listrik yang mengalami perubahan. Oleh karena itu perlu dilakukan analisis sistem tenaga listrik ulang setelah dilakukan penambahan beban dalam sistem proteksi tenaga listrik yang dapat mengisolasi arus gangguan agar tidak terjadi kerusakan pada peralatan dan menjaga kontinuitas pelayanan pada bagian sistem tenaga listrik yang tidak mengalami gangguan sehingga proses produksi dapat berjalan dengan lancar. II. KUALITAS DAYA, TEGANGAN, DAN SISTEM PENGAMAN TENAGA LISTRIK Kualitas dan keandalan suatu sistem tenaga listrik dalam melayani konsumen sangat tergantung pada sistem proteksi yang digunakan sehingga perlu adanya analisis lebih lanjut dalam gangguan sistem tenaga listrik. Faktor-faktor yang menentukan baik atau tidaknya kualitas daya listrik di pabrik, yaitu: 1. Kualitas Tegangan, 2. Frekuensi, 3. Harmonisa, 4. Faktor daya, 5. Grounding (pentanahan). Kualitas daya dalam suatu pabrik dapat baik, salah satunya saat kualitas tegangan stabil. Namun kadangkala nilai tegangan tersebut tidak konstan atau mengalami penyimpangan. Diantara permasalahan penyimpangan nilai suatu tegangan adalah kedip tegangan/voltage sag dalam waktu yang singkat. Besarnya jatuh tegangan dan durasi yang termasuk dalam kategori voltage sag adalah 0.1 sampai 0.9 pu selama 0.5 siklus sampai 1 menit. Penyebab terjadinya kedip tegangan adalah hubung singkat dan karena adanya pengasutan beban yang kapasitasnya cukup besar. Gambar 1 Contoh kedip tegangan Gangguan-gangguan yang telah disebutkan dapat diatasi dengan koordinasi antara rele pengaman dengan circuit breaker (CB), supaya dapat memutuskan atau menghubungkan pelayanan penyaluran pada elemen sistem tenaga listrik. ini akan memberikan sinyal kepada circuit breaker untuk memutuskan sistem tenaga listrik jika terjadi gangguan. proteksi terdiri dari sebuah elemen operasi dan seperangkat kontak. Elemen operasi menerima masukan arus dari transformator arus ataupun tegangan dari transformator tegangan atau kombinasi dari keduanya. Dalam beberapa kasus rele melakukan pengukuran atau perbandingan operasi dasar input dan mengubahnya dalam bentuk gerakan kontak. Keadaan keluaran dari rele adalah menutup (close) dan ditahan (block). Jika keadaan tertutup
2 maka rele akan meberikan sinyal untuk melakukan proses pembukaan dari circuit breaker dimana pada gilirannya akan mengisolasi gangguan dari bagian sistem tenaga listrik lain yang sehat. Didalam penyetelan sebuah rele harus dilakukan dengan benar agar tidak terjadi kesalahan operasi pada saat terjadi gangguan. Oleh karena itu hal-hal yang mempengaruhi dalam penyetelan rele harus benar-benar diperhatikan. Didalam penyetelan sebuah rele harus dilakukan dengan benar agar tidak terjadi kesalahan operasi pada saat terjadi gangguan. Oleh karena itu hal-hal yang mempengaruhi dalam penyetelan rele harus benar-benar diperhatikan. GANGGUAN RELE PEMUTUS Gambar 2 Bagan Koordinasi rele dengan pemutus pengaman biasanya dipisahkan menjadi tiga elemen dasar seperti terlihat pada gambar 2.5 : Gambar 3 Bagan Elemen Dasar Pengaman a. Elemen Pengindera. Elemen ini berfungsi untuk merasakan besaran-besaran listrik seperti arus, tegangan, frekuensi, dan sebagainya tergantung rele yang digunakan. Pada elemen ini besaran yang masuk akan dirasakan keadaannya apakah keadaan yang diproteksi mendapatkan gangguan atau dalam keadaan normal yang untuk selanjutnya besaran tersebut dikirimkan ke elemen pembanding. Komponen yang berfungsi sebagai elemen pengindera adalah transformator arus (CT). b. Elemen Pembanding Elemen ini berfungsi menerima besaran setelah terlebih dahulu besaran itu diterima oleh elemen pengindera untuk membandingkan besaran listrik pada saat keadaan normal dengan besaran yang disetting pada rele. Komponen yang berfungsi sebagai elemen pembanding ini adalah rele, yang bekerja setelah mendapatkan besaran dari elemen pengindera dan membandingkan dengan besar arus penyetelan dan kerja rele. c. Elemen Kontrol Elemen ini berfungsi untuk mengadakan perubahan secara cepat pada besaran ukurnya dan akan segera memberikan isyarat untuk membuka circuit breaker atau memberikan sinyal. Komponen yang berfungsi sebagai elemen kontrol adalah kumparan penjatuh (trip-coil). III. METODOLOGI Perhitungan hubung singkat dilakukan dengan menggunakan hubung singkat minimum dan hubung singkat maksimum. Hubung singkat minimum, yakni hubung singkat 2 fasa pada 30 cycle. Sedangkan hubung singkat maksimum adalah hubung singkat 3 fasa pada 4 cycle dan 30 cycle. Hubung singkat maksimum 4 cycle digunakan untuk setting rele dengan kelambatan waktu 0.1 s, karena jika dikonversi ke besaran waktu maka 4 cycle sama dengan 0.08 s. Sedangkan hubung singkat maksimum 30 cycle digunakan untuk pengaturan rele dengan kelambatan waktu 0.4 s dan seterusnya, jika dikonversikan ke besaran waktu maka 30 cycle sama dengan 0.6 s. Untuk perhitungan arus hubung singkat digunakan dua konfigurasi yang mewakili hubung singkat minimum dan maksimum dengan pembangkitan normal sehari hari berupa grid PLN yang dijadikan swing bus serta 2x6.2 MW genset yang beroperasi sebagai MVAR bus. Pemilihan Tipkal Setting Koordinasi pada PT ISM Bogasari Flour Mills Surabaya (sebelum dan setelah dilakukan penambahan beban). Berikut adalah tipikal diambil sebagai contoh: 1. Tipikal 1 merupakan kondisi normal dari Area composite beban Mill C menuju ke Grid PLN 12 MW. Koordinasi rele arus lebih dilakukan dari sisi primer trafo composite Mill C 3,3kV menuju ke Grid PLN Perencanaan Beban baru dilakukan dengan menambah kapasitas Trafo baru pada Trafo Mill C dari 2,5 MVA menjadi 3,5 MVA dengan pembebanan 80% dari Trafo 3,5 MVA Gambar 4. Pemilihan tipikal 1 koordinasi proteksi rele arus lebih Pada tugas akhir ini, analisis kedip tegangan dilakukan dengan simulasi menggunakan software ETAP 7.5 dilakukan pada area beban jetty yang merupakan area beban dengan motor terbesar di PT ISM Bogasari Flour Mills Surabaya dengan suplai dari generator menuju ke area beban jetty. IV. STUDI KASUS KOORDINASI RELE ARUS LEBIH DAN KEDIP TEGANGAN / VOLTAGE SAG A. Analisis Koordinasi Arus Lebih Tipikal 1 sebelum dan setelah dilakukan penambahan beban Untuk perhitungan arus hubung singkat digunakan dua konfigurasi yang mewakili hubung singkat minimum dan maksimum dengan pembangkitan normal sehari hari berupa grid PLN yang dijadikan swing bus serta 2x6.2 MW genset yang beroperasi sebagai MVAR bus. BERIKUT ADALAH PEMBAHASAN KOORDINASI RELE ARUS LEBIH TIPIKAL 1 DILAKUKAN
3 SIMULASI HUBUNG SINGKAT MENGGUNAKAN ETAP : Tabel 1 nilai arus hubung singkat tipikal 1 sebelum penambahan beban NO BUS KV 4 30 Isc Min 30 1 2 3 4 Main 6 Main 7 Main 5 Mill C 3.3 14819 A 12051 A 10436 A 3.3 14819 A 12051 A 10436 A 20 4554 A 3839 A 3325 A 0,38 46419 A 39377 A 34102 A KC Terletak diantara 1 dengan bagian primer trafo (3.3kV) yang mengarah ke composite area Mill C Jenis : SEPAM 1000 Kurva : STANDARD INVERSE IEC I sc min 30 cycle bus main 6 : 10436 A I sc max 4 cycle bus mil C : 46419 A FLA Trafo : 437,4 A CT : 500/5 Current setting IDMT ( I> ) 1,05 FLA Ipp 0,8 Isc min 30 1,05 437,4 A Ipp 0,8 10.436 A 459,27 A Ipp 8348,8 A Ipp dipilih 480 A Arus setting I set = Ipp = 480 500/5 = 4,8 A Arus pickup = Iset Dipilih tap = 0,96 In In = 3 5 = 0,96 Nilai actual Iset = 5 0,96 500/5 = 480 A Time Setting IDMT ( Time Dial ) Waktu yg diinginkan : 0,1 s I set = 480 A Isc max 4 cycle Mill C Convert = 46419 5345,21 A I = Isc max 4 cycle bus 1 convert Iset Aktual t = [ ]. 0,1 = []. t> = 0,104 dipilih time dial 0,15 Current setting High Set (I>>) Isc max 4 Mill C (Convert) / Ips = 5345,21 480 = 11,135 A 380 V = 3,3 kv 0.8 Isc min 30 bus main 6 Iset 0.8 x 10436 500/5 Dipilih Iset 75 A Pickup setting definite = Iset In = 75 5 = 15 In Pickup setting definite ( I >> ) dipilih 15 In Time setting definite ( t>> ) dipilih 0,1 s ini digunakan untuk mengamankan trafo T1 Merk Unindo 3,3kV / 380V - 2,5 MVA di jalur composite area Mill C terhadap kemungkinan terjadinya arus hubung singkat di bus 1. Untuk setting lowsetnya menggunakan FLA dari trafo tersebut dan untuk setting highsetnya menggunakan arus hubung singkat minimum pada bus 1 menggunakan kurva standard inverse dengan grading waktu 0.1 s. untuk menghindari arus inrush trafo maka pada setting highset dipilih 15 In Tabel 2 hasil setting tipikal 1 sebelum dilakukan penambahan beban No Tap Time Tap Time Nama Arus Dial Arus Dial lama Lowset Lowset Highset Highset 1 KC 0,96 0,15 15 0,1 500/5 2 M6 0,9333 0,35 5,2 0,3 1500/5 3 M7 0,9333 0,35 5,2 0,3 1500/5 4 TS5 0,95 0,56 8 0,5 1000/5 5 TP5 0,8 0,77 11,2 0,1 200/5 6 G5 0,9 0,87 5,2 0,3 500/5 Gambar 6 Plot Tipikal 1 sebelum penambahan beban Dilakukan penambahan beban pada tipikal 1 yakni penambahan kapasitas trafo dari semula 2,5 MVA menjadi 3,5 MVA dengan pembebanan 80% kapasitas trafo baru. Kondisi penambahan beban, suplai daya pada area mill c dibantu dengan genset 2X6.2 MW 53,45 Iset 83,48
4 Dari simulasi didapatkan arus hubung singkat sebagai berikut : Tabel 3 nilai arus hubung singkat tipikal 1 setelah penambahan beban KC Terletak diantara 1 dengan bagian primer trafo (3.3kV) yang mengarah ke composite area Mill C Jenis : SEPAM 1000 Kurva : STANDARD INVERSE IEC I sc min 30 cycle bus main 6 : 14319 A I sc max 4 cycle bus mil C : 65920 A FLA Trafo : 612,34A CT : 800/5 Current setting IDMT ( I> ) 1,05 FLA Ipp 0,8 Isc min 30 1,05 612,34 A Ipp 0,8 14319 A 642,95 A Ipp 11455,2 A Ipp dipilih 700 A Arus setting I set = = 700 800/5 = 4,375 A Arus pickup = Dipilih tap = 0,875 In = = 0,875 Nilai actual Iset = 5 0,875 800/5 = 700 A Time Setting IDMT ( Time Dial ) Waktu yg diinginkan : 0,1 s I set = 700 A Isc max 4 cycle bus Mill C convert = 65920 7590,78 I = NO BUS KV 4 30 Isc Min 30 1 1 3,3 21245A 15875 A 14319 A 2 3,3 Main 6 21245 A 15875 A 14319 A 3 3,3 Main 7 5403 A 4502 A 3969 A 4 20 Main 5 65920 A 53822 A 47348 A =, = = 10,84 A 700 Dipilih Iset 65 A Pickup setting definite = Iset In = 65 5 = 13 In Pickup setting definite ( I >> ) dipilih 13 In Time setting definite ( t>> ) dipilih 0,1 s ini digunakan untuk mengamankan trafo T1 Merk Unindo 3,3kV / 380V - 2,5 MVA di jalur composite area Mill C terhadap kemungkinan terjadinya arus hubung singkat di bus 1. Untuk setting lowsetnya menggunakan FLA dari trafo tersebut dan untuk setting highsetnya menggunakan arus hubung singkat minimum pada bus 1 menggunakan kurva standard inverse dengan grading waktu 0.1 s. untuk menghindari arus inrush trafo maka pada setting highset dipilih 15 In Dengan penghitungan yang sama maka pada tipikal 1 setelah penambahan beban didapatkan setting untuk masingmasing rele sebagai berikut: No Tabel 4 hasil setting rele arus lebih tipikal 1 setelah penambahan beban Tap Time Nama Time Tap Arus Dial Arus Dial Arus Lows Highs Lebih Lowset Highset et et 1 KC 2 M6 3 M7 4 TS5 5 TP5 6 G5 KC M6 M7 TS5 TP5 G5 0,875 0,1035 13 0,1 0,9 0,3 5,4 0,3 0,9 0,3 5,4 0,3 0,95 0,614 11,4 0,5 0,8 0,853 14 0,7 0,9 0,9 6 0,9 t = [ ]. 0,1 = [ ]. t> = 0,1035 Dipilih 0,15 Current setting High Set (I>>) ( ) / Ips. Iset 0.8 x 14319 800/5 Gambar 7 Plot Tipikal 1 setelah penambahan beban 47,44 Iset 71,59
5 B. ANALISIS KEDIP TEGANGAN/VOLTAGE SAG Dilakukan simulasi pengasutan / start motor terbesar pada sistem kelistrikan PT ISM Bogasari Flour Mills Surabaya guna mendapatkan respon tegangan terhadap waktu. Data respon tegangan diambil dari dua bus utama yang berada di jalur beban motor tersebut. Jetty Voltage (%) Main 4 Voltage (%) 105 100 95 90 85 80 Gambar 10 Respon tegangan terhadap waktu pada bus Jetty 105 100 95 90 85 80 0 2 4 6 8 10 Jetty Waktu (s) 0 2 4 6 8 10 Main 4 Waktu (s) Gambar 11 Respon tegangan terhadap waktu pada bus Main 4 Gambar 10 dan 11 menunjukkan besarnya kedip tegangan tipikal 1 yang terjadi pada bus jetty dan bus Main 4 dengan suplai pada motor Jetty menggunaan genset 2x6,2 MW. Besarnya nilai tegangan dan durasinya adalah sebagai berikut (tabel 4.11). Tabel 4.11 Kedip Tegangan Tipikal 1 No. Voltage Sag Durasi (Detik) (%) 1 Jetty 15,35 0,98 2 Main 4 15,06 0,98 Dari dua kondisi ini maka didapat setting rele undervoltage untuk tipikal 1 adalah: Tabel 4.12 Setting Undervoltage untuk Tipikal 1 No. Pick-up (%) Setting Waktu (Detik) 1 Jetty 80 1.3 2 Main 4 80 1.6 V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan : 1. Diperlukan setting ulang pada rele karena adanya penambahan beban baru yang berpengaruh pada koordinasi rele arus lebih di area beban baru tersebut dan area beban yang lain, karena adanya kenaikan nilai arus hubung singkat maksimum dan minimum. 2. Saat start motor jetty terjadi penurunan tegangan hingga 15,35% pada bus jetty dan 13,06% pada bus main 4 dalam durasi 0,98 detik. Keadaan ini berpengaruh terhadap setting rele undervoltage agar saat motor starting, circuit breaker tidak trip.. Saran : 1. Perlu adanya pengaturan rele yang tepat berdasarkan analisis dan penghitungan sehingga dihasilkan koordinasi yang memenuhi syarat kecepatan bereaksi, sensitivitas, selektivitas, handal dan ekonomis. 2. Perlu adanya pemasangan rele undervoltage pada area beban jetty untuk mengamankan kedip tegangan yang terjadi saat pengasutan motor Jetty REFERENSI [1] IEEE Recommended Practice for Protection andcoordination of Industrial and Commercial Power System, IEEE Standart 242-1986 [2] P.M Anderson, Power System Protection, McGraw- Hill, 1998. [3] R Wahyudi Ir,Diktat Kuliah Sistem Pengaman Tenaga Listrik, 2008 [4] Sunil. S. Rao, Switch Gear and Protection, Khanna Publishes, 1980. [5] Schneider Electric, Protection Guide Motor Protection [6] SPLN 52-3 : 1983, Pola Pengaman Sistem Bagian Tiga, Sistem Distribusi 6 kv dan 20 kv [7] Titarenko M Ivonovsky, Protecive Relaying in Electrical Power System. [8] OM. Bollen, Understanding Power quality events : Voltage sags and interruptions, 2nd ed., IEEE Press, NY, 2000. [9] Rahman, Hendra, Studi Koordinasi Proteksi pada PT. Petrokimia Gresik Akibat Penambahan Pabrik Baru (Phosporit Acid dan Amonia Urea) serta Pembangkit Baru (20 dan 30 MW), ITS Surabaya 2011. Riwayat Hidup Penulis: Muhammad Reza A, dilahirkan di Magelang, 26 Januari 1989. Telah menempuh jenjang pendidikan di SDN Semangkak 2 tahun 1994-2000, SLTPN 1 Klaten tahun 2000-2003, dan SMAN 1 Klaten tahun 2003-2006. Setelah lulus SMA, penulis melanjutkan ke S1 Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Selama kuliah, penulis aktif dalam kegiatan softskill entrepreneur bisnis online. Penulis dapat dihubungi di alamat email: muhammad.reza@ymail.com.