Makalah Seminar Kerja Praktek Sistem Proteksi Generator Turbin Gas Berbasis REG 216 Pada PLTGU Muara Tawar Bekasi Tri Hutomo 1, Yuningtyastuti 1 1 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: tri3hut@yahoo.com E-mail: juningastika@yahoo.com Abstrak Kebutuhan listrik dari tahun ke tahun pun 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. PLTGU Muara Tawar menggunakan sistem proteksi berbasis REG 216. Sistem ini memiliki berbagai fungsi proteksi yang salah satunya untuk proteksi generator. Terdiri dari bagian-bagian analog input unit, binary input and tripping unit, binary output unit, CPU, dll. REG 216 terintegrasi dengan semua perangkat proteksi dan memilki interface berupa nyala lampu LED dan alarm untuk indikator gangguan. REG 216 juga memilki lock-out relay sebagai interlock untuk pengaman-pengaman atau breaker pada PLTGU Muara Tawar. Kata kunci : Sistem Proteksi Generator, REG 216 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 REG 216. 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 PLTGU Muara Tawar Bekasi. 3. Mahasiswa dapat mengetahui secara langsung alat-alat sistem proteksi yang terdapat di pembangkit PLTGU Muara Tawar Bekasi. 1.3 Batasan Masalah Dalam Laporan Kerja Praktek ini, penulis menekankan pada cara kerja dari sistem
proteksi generator turbin gas REG 216 pada PLTGU Muara Tawar. II. Dasar Teori 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 (J. Soekarto, 1985). 2.1 Fungsi dan Persyaratan Kualitas Proteksi Fungsi proteksi adalah : 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. 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). 2.2 Perangkat Sistem Proteksi Yang dimaksud dengan perangkat sistem proteksi, seperti terlihat pada gambar 2.1 adalah : Ada beberapa persyaratan yang sangat perlu diperhatikan dalam suatu perencanaan sistem proteksi yang efektif yaitu : a). Selektivitas dan Diskriminasi 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 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. 2.3 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) 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. 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 Gambar 2.2 Rotor hubung tanah 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 Gangguan 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. Pada turbin uap peristiwa motoring akan mengakibatkan pemanasan lebih pada sudu-sudunya, kavitasi pada sudu-sudu turbin air, dan ketidakstabilan pada turbin gas. 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 mcngakibatkan 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. 4. Gangguan pendingin stator. Gangguan pada media sistem pendingin stator (pendingin dengan media udara, hidrogen atau air) akan menyebabkan kenaikan suhu belitan stator. Apabila suhu belitan melampaui batas ratingnya akan berakibat kerusakan belitan. 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 turbin generator. Perubahan frekuensi sistem dapat dimungkinkan oleh tripnya unitunit 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 ketidak- stabilan sistem. Apabila peristiwa ini cukup 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 menyebabkan gangguan masuk dan dirasakan oleh generator. Untuk ini perlu pemasangan pengaman cadangan. 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. BAB III. Sistem Proteksi Generator Turbin Gas Berbasis REG 216 Sistem Proteksi pada PLTGU Muara Tawar memiliki sub-sub sistem proteksi yaitu sistem proteksi turbin gas, sistem proteksi turbin uap dan sistem proteksi listrik. Sistem proteksi listrik sendiri melindungi 2 komponen utama yaitu generator dan transformator. Sistem proteksi pada generator gas turbin pembangkit menggunakan sistem digital dengan nama produk MODURES tipe REG 216.
Berikut diagram blok sistem proteksi generator turbin gas REG 216 Generator CT, PT Analog Input Unit Binary Input Binary Input & Tripping Unit CPU Lockout Relay Binary Output Unit Relay-Relay Proteksi Gambar 3.1 Diagram blok sistem proteksi generator gas turbin REG 216 Pada gambar 3.1, terlihat bagian-bagian dari sistem proteksi generator gas turbin PLTGU Muara Tawar. Komponen-komponen dari REG 216 sendiri ditandai oleh garis putus-putus. Keterangan: 1. ANALOG INPUT Bagian ini berfungsi untuk menerima variabel-variabel ukur analog lalu merubahnya ke bentuk digital untuk diproses lebih lanjut di CPU. 2. CPU Semua proteksi yang tersedia dan fungsi-fungsi logika disimpan sebagai modul library software didalam CPU 3. Supply Unit Unit yang berfungsi sebagai sumber catu daya DC 4. BINARY INPUT dan TRIPPING UNIT Bagian Input memiliki 16 channel berupa LED yang digunakan untuk sinyal eksternal dari modul relai yang dikirim ke CPU. Bagian tripping unit memilki output berupa 8 channel juga berupa LED yang digunakan untuk mengirim perintah trip dari fungsifungsi proteksi yang aktif ke modul tripping relay 5. BINARY OUTPUT Berfungsi untuk mengirim sinyal yang dihasilkan dari fungsi-fungsi proteksi yang aktif ke relai tambahan untuk tujuan pensinyalan jarak jauh. Sistem A 1 2 Sistem B 3 4 5 3.1 Fungsi-Fungsi Proteksi Yang Digunakan Beberapa fungsi proteksi tersedia pada software yang secara permanen tersimpan dalam sistem. Sistem proteksi dari generator dibagi menjadi 2 yaitu sistem A dan sistem B. Masingmasing sistem ini memiliki fungsi-fungsi proteksi masing-masing yang independen namun saling berhubungan. Berikut adalah fungsi-fungsi proteksi yang digunakan dalam sistem A disajikan dalam tabel 3.1 Tabel 3.1 Fungsi-fungsi proteksi pada sistem A No. Kode Fungsi 1. 32.2 Reverse Power (low setting) Gambar 3.2 Hardware REG 216 2. B.F. Overcurrent Breaker Failure
3. 59GA 95% Stator Ground Fault Protection 4. 87G Generator Differential Protection 5. 59.1 Overvoltage Protection Step 1 6. 59.2 Overvoltage Protection Step 2 7. 81.1 Underfrequency Protection Alarm 8. 81.2 Underfrequency Protection HV CB Off 1 Berikut adalah diagram kerja dari REG 216 LOCAL BINARY INPUT 4 INPUT / TRIPPING 9. 81.3 Underfrequency Protection Gen. CB Off Fungsi-fungsi proteksi yang digunakan dalam sistem B, disajikan dalam tabel 3.2 Tabel 3.2 Fungsi-fungsi proteksi pada sistem B ANALOG INPUT 2 5 CPU 6 3 LOCK- OUT RELAY 3 BINARY OUTPUT No. Kode Fungsi 1. 21 Minimum Impedance Protection 2. 32.1 Reverse Power (High Setting) 3. 40.1 Loss Of Excitation Protection 4. 40.2 Loss Of Excitation Protection With Time Integrator 5. 46.1 Negative Sequence Protection Alarm 6. 46.2 Negative Sequence Protection Trip 7. 51V Overcurrent / Undervoltage Protection 8. 60 Voltage Balance 9. 59GB 100% Stator Ground Fault Protection 10. 78 Pole Slip Gambar 3.3 Diagram Kerja REG 216 Gambar diatas menunjukkan diagram kerja dari operasi sistem proteksi generator gas turbin REG 216. Berikut penjelasannya : 1. Bagian primer sistem CT dan PT terhubung langsung ke unit transformer input. Sinyalsinyal 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 kembali ke sistem bus paralel B448C. 2. Variabel ukur digital yang didapat dari bagian primer sistem secara kontinyu dibandingkan dengan unit CPU dengan setting yang telah dibuat pada fungsi proteksi.
3. Jika sebuah fungsi proteksi terpilih maka sinyal dari fungsi tersebut atau perintah trip dikirim via bus parallel B448C ke unit binary output juga ke unit Input/Tripping. Sinyal output dari unit output dan unit tripping mengontrol relai tambahan K1-K16 dari output relai atau relai trip. Kontak relai tambahan dalam keadaan tak dicatu dan dihubungkan ke terminal untuk koneksi ke sinyal eksternal dan rangkaian trip. 4. Sinyal input eksternal terhubung ke proteksi dan mencatu relai tambahan K1-K16 pada relai input. Kontak dari K1-K16 mengirim sinyal eksternal ke BINARY INPUT dan TRIPPING UNIT. 5. Lalu dari BINARY INPUT dan TRIPPING UNIT sinyal tersebut dikirim ke unit CPU melalui bus parallel B448C. Di dalam CPU sinyal eksternal tersebut dapat diartikan menjadi bermacam-macam fungsi proteksi misal kombinasi logika (interlocking dan blocking) dengan sinyal trip atau untuk memicu channel trip 1-8. 6. Lock-out Relay menerima sinyal trip dari Relai proteksi akibat sinyal perintah tripping dari CPU untuk kemudian melalui kontakkontaknya meneruskan sinyal trip tersebut untuk mentrip atau melepas secara bersamaan peralatan pengaman seperti CB dan DS kemudian menguncinya untuk menghindari human error. REG 216 juga memiliki diagram logika yang disajikan dalam lampiran. Berikut adalah tampilan lampu LED pada REG 216 dalam kondisi operasi sebagai interface untuk indikator gangguan. Gambar 3.4 Sistem proteksi dalam keadaan operasi normal Dari gambar 3.4 terlihat lampu LED yang menyala pada binary output unit adalah nomor 01 dan 02 sedangkan untuk binary input unit yang menyala adalah nomor 12 dan 15, untuk tripping unit tidak ada lampu LED yang menyala. Maksud nyala lampu LED 01 dan 02 adalah bahwa sistem proteksi telah siap digunakan dan tidak terjadi gangguan pada sistem yang dilindungi. Untuk nyala lampu LED 12 dan 15 pada binary input unit, berarti bahwa CB generator dalam keadaan tertutup dan beroperasi menghasilkan daya listrik. Karena sistem dalam keadaan normal maka tidak ada sinyal atau perintah tripping yang bekerja.
4. PENUTUP 4.1 Kesimpulan 1. Suatu sistem tenaga listrik memerlukan adanya sistem proteksi untuk dapat mendeteksi adanya gangguan pada sistem sehingga dapat mencegah atau membatasi kerusakan pada peralatan tenaga listrik selain itu juga untuk menjaga mutu dan keandalan pasokan daya listrik. 2. REG 216 merupakan sistem proteksi yang terintegrasi yang memiliki sistem peringatan adanya gangguan berupa nyala lampu LED dan alarm. REG 216 juga dilengkapi lockout relay sebagai interlock untuk pengamanpengaman atau breaker pada PLTGU Muara Tawar. 3. Pada keadaan operasi normal, lampu LED yang menyala pada alat REG 216 adalah LED nomor 01 dan 02 pada binary output unit serta nomor 12 dan 15 untuk binary input unit. 4.2 Saran 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. [7] Soekarto, J. Proteksi Sistem Distribusi Tegangan Menengah. LMK PT. PLN (Persero). [8] Soekarto, J. Relai Proteksi Periode 2. LMK PT. PLN (Persero), Jakarta. [9] Transparansi Diklat Relai. PT. PLN (Persero) UDIKLAT, Semarang. BIODATA Tri Hutomo dilahirkan di Ujung Pandang, 29 Maret 1991. Telah menempuh studi mulai dari Taman Kanak-Kanak Bani Saleh Bekasi, Sekolah Dasar Tunas Jakasampurna Bekasi, SMP Negeri 252 Jakarta, SMA Negeri 81 Jakarta dan sekarang sedang melanjutkan studi S-1 di Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro, Semarang. Dosen Pembimbing Semarang, September 2012 Penulis DAFTAR PUSTAKA [1] Arismunandar, W. PENGGERAK MULA TURBIN. ITB Bandung. 1980 [2] Christian Mamesah, Proteksi Sistem Tenaga Listrik 1, Electrical Department TEDC Bandung, 1998. [3] Manual Book ABB REG Compact [4] Materi Pelatihan O&M Relai Proteksi Jaringan PT PLN Persero P3B [5] Materi Pelatihan Pemeliharaan Proteksi Pembangkit PT PLN (PERSERO) UDIKLAT, Semarang [6] Modul Pembelajaran Proteksi Sistem Tenaga Listrik Depdiknas 2003 Ir. Yuningtyastuti, MT NIP. 195209261983032001 Tri Hutomo L2F009111