BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Generator Sinkron Generator adalah peralatan yang berfungsi untuk mengubah energy mekanik dalam bentuk putaran menjadi energi listrik. Generator yang umum digunakan dalam unit pembangkit adalah generator sinkron. Dinamakan generator sinkron karena kecepatan putaran rotornya sama dengan kecepatan putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Prinsip kerja generator sinkron menggunakan hukum Faraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik. Jika pada sekeliling penghantar terjadi perubahan medan magnet, maka pada penghantar tersebut akan dibangkitkan suatu gaya gerak listrik (GGL) yang sifatnya menentang perubahan medan tersebut. Untuk dapat terjadinya gaya gerak listrik (GGL) tersebut diperlukan dua kategori masukan, yaitu: 1. Masukan tenaga mekanis yang akan dihasilkan oleh penggerak mula (prime mover). 2. Arus masukan (If) yang berupa arus searah yang akan menghasilkan medan magnet yang dapat diatur dengan mudah 7
Apabila rotor generator diputar pada kecepatan nominalnya, dimana putaran tersebut diperoleh dari putaran penggerak mulanya (prime mover), kemudian pada kumparan medan rotor diberikan arus medan sebesar If, maka garis-garis fluksi yang dihasilkan melalui kutub-kutub inti akan menghasilkan tegangan induksi pada kumparan jangkar stator sebesar: Ea = C. n. Ф...(2.1) dimana: Ea : Tegangan induksi yang dibangkitkan pada jangkar generator C : Konstanta n : Kecepatan putar Ф : Fluksi yang dihasilkan oleh arus penguat (arus medan) Apabila generator digunakan untuk melayani beban, pada kumparan jangkar generator akan mengalir arus. Untuk generator 3 fasa, setiap belitan jangkar akan memilki beda fasa sebesar 120. Konstruksi generator sinkron terdiri dari bagian-bagian utama, yaitu: a. Rotor yaitu bagian generator yang berputar. Rotor menghasilkan medan magnet yang selanjutnya menginduksi stator. Medan magnet dihasilkan dengan cara menginjeksi rotor dengan arus eksitasi. Antara rotor dan stator dipisahkan oleh celah udara (air gap). Rotor terdiri dari dua bagian umum, yaitu inti kutub dan kumparan medan. Pada bagian inti kutub terdapat poros dan inti rotor yang memiliki fungsi sebagai jalan atau jalur fluks magnet yang dibangkitkan oleh kumparan medan. Pada kumparan medan ini juga terdapat 8
dua bagian, yaitu bagian penghantar sebagai jalur untuk arus pemacuan dan bagian yang diisolasi. Isolasi pada bagian ini harus benar-benar baik dalam hal kekuatan mekanisnya, ketahanannya akan suhu yang tinggi dan ketahanannya terhadap gaya sentrifugal yang besar. b. Stator yakni bagian generator yang diam. Stator adalah tempat menghasilkan tegangan bolak-balik hasil induksi medan magnet dari rotor. Stator terdiri dari inti stator dan kumparan. c. Casing yaitu bagian generator yang terbuat dari baja ringan yang dirancang untuk menopang inti stator dan kumparan-kumparannya. Pada umumnya generator di PLTU didinginkan dengan hydrogen yang bertekanan. Oleh karena itu casing harus dirancang mampu menahan tekanan dan ledakan hidrogen yang mungkin terjadi. Besarnya tekanan ledak diperkirakan dua kali tekanan hidrogen. d. Eksiter atau biasa disebut sistem penguatan adalah suatu perangkat yang memberikan arus penguat (If) kepada kumparan medan generator sinkron. Arus penguat berupa arus searah. 9
Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron Jumlah kutub generator sinkron didesain tergantung dari kecepatan rotor dan frekuensi dari ggl terbangkit yang dikehendaki. Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan persamaan : 120f = np...(2.2) Dengan f = frekuensi tegangan (Hz) p = jumlah kutub pada rotor n = kecepatan rotor (rpm) 2.1.1 Parameter V/Hz Generator Parameter V/Hz adalah rasio yang menggambarkan kondisi over flux pada generator. Ketika tegangan terminal generator tinggi dan atau frekuensi generator rendah, pada inti generator akan terjadi saturasi. Hal ini akan akan berakibat pada 10
kejenuhan inti dan panas. Semakin tinggi perbandingan tegangan dan frekuensi (V/Hz), maka semakin cepat inti generator mencapai kondisi saturasi. Kenaikan nilai V/Hz akan meningkatkan flux density di atas titik jenuh kurva saturasi. Konsekuensinya adalah timbulnya arus magnetisasi yang besar sebagaimana kenaikan core loss dikarenakan hysterisis loop yang lebih besar terjadi. Selain itu, arus eddy yang besar timbul pada inti dan komponen metallic lainnya. Semua kondisi ini akan meningkatkan core dan copper losses, serta kenaikan yang berlebihan pada core dan winding. Jika tidak dikendalikan, hal ini mengakibatkan loss of life dari isolasi core dan winding Nilai dari persamaan V/Hz dihitung berdasarkan persamaan berikut ini: V/Hz = (V/Vn)/(f/fn)...(2.3) Dengan: V = tegangan aktual generator Vn = tegangan rating generator (20 KV) f = frekuensi aktual generator fn = frekuensi rating generator (50 Hz) Dapat diamati bahwa yang dapat dilakukan untuk menurunkan nilai V/Hz generator adalah : 11
Menaikkan frekuensi, dengan salah satu cara adalah menaikkan beban unit. Akan tetapi hal ini tidak efektif untuk dilakukan, karena jika dibandingkan dengan power grid, sistem PLTU Lontar terlalu kecil. Menurunkan tegangan generator, dengan cara menurunkan arus eksitasi. Hal ini dapat dilakukan dengan mudah karena telah ada fasilitas untuk melakukan itu di DCS. Sehingga ketika terjadi kenaikan parameter V/Hz, langkah yang harus diambil adalah menurunkan tegangan generator dengan cara menurunkan arus eksitasi. Gambar 2.2 Typical Generator Saturation Curve 2.2 Sistem Eksitasi Didalam proses pembangkitannya, sebuah generator membutuhkan adanya sumber medan magnet. Penguatan medan atau disebut eksitasi adalah pemberian arus listrik untuk membentuk kutub magnet pada generator. Medan magnet ini 12
dapat diperoleh dari magnet permanen ataupun induksi magnet listrik. Induksi magnet listrik dilakukan dengan cara mengalirkan sumber tegangan searah kedalam kumparan rotornya. Dengan mengatur besar kecil arus listrik tersebut, kita dapat mengatur besar tegangan out-put generator atau dapat juga mengatur besar daya reaktif yang diinginkan pada generator yang sedang paralel dengan sistem jaringan besar (infinite bus). Ada beberapa jenis sistem eksitasi yaitu Sistem Eksitasi Statik dan Sistem Eksitasi Dinamik. 2.2.1 Sistem Eksitasi Statik Sistem Eksitasi Statik adalah sistem eksitasi generator tersebut disuplay dari eksiter yang bukan mesin bergerak, yaitu dari sistem penyearah yang sumbernya dari out put generator itu sendiri atau sumber lain dengan melalui transformator. Secara prinsip dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.3 Diagram Prinsip Sistem Eksitasi Statik 13
Seperti terlihat pada gambar 2.2 dapat kita lihat bahwa suplai daya listrik untuk eksitasi mengambil dari out put generator melalui excitation transformer, kemudian disalurkan ke rectifier AVR dan disalurkan ke rotor generator untuk eksitasi atau penguatan medan melalui sikat arang. Kemudian apabila generator tersebut pada waktu start awal belum mengeluarkan tegangan, maka untuk suplai arus eksitasi biasanya diambil dari power supply luar. 2.2.2 Sistem Eksitasi Dinamik Adapun yang dimaksud dengan Sistem Eksitasi Dinamik adalah sistem eksitasi yang sumber suplay arus eksitasi diambil dari mesin yang bergerak, dan mesin yang bergerak tersebut disebut Eksiter. Biasanya eksiter tersebut sebagai penggeraknya dipasang satu poros dengan generator. Seperti kita ketahui bahwa untuk arus eksitasi adalah arus searah, maka sebagai eksiternya adalah mesin arus searah (Generator DC) atau dapat juga degan mesin arus bolak balik (generator AC) kemudian disalurkan ke rectifier. Prinsip sistem eksitasi dengan menggunakan eksiter generator arus searaha adalah digambarkan sebagai berikut : 14
Generaor Utama Exciter Gambar 2.4 Diagram Prinsip Sistem Eksitasi Dinamik dengan Eksiter Generator DC Seperti pada gambar diatas, bahwa sistem eksitasi dengan menggunakan eksiter generator DC untuk menyalurkan arus eksitasi generator utama dengan media sikat arang dan slip-ring, serta out-put arus searah dari generator eksiter melalui sikat arang. Ditinjau dari segi pemeliharaan sistem ini kurang efektif, sehingga mulai dikembangkan dengan sistem eksitensi tanpa sikat atau disebut Brushless Excitation. 2.2.3 Brushless Excitation Perkembangan sistem eksitasi pada generator sinkron dengan sistem eksitasi tanpa sikat, karena sikat dapat menimbulkan loncatan api pada putaran tinggi. Untuk menghilangkan sikat digunakan dioda berputar yang dipasang pada jangkar. Gambar 2.14 menunjukkan sistem eksitasi tanpa sikat. Penggunaan sikat atau slip ring untuk menyalurkan arus eksitasi ke rotor generator mempunyai kelemahan karena besarnya arus yang mampu dialirkan pada sikat arang relatif kecil. Untuk 15
mengatasi keterbatasan sikat arang, digunakan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation). Prinsip kerja sistem Eksitasi tanpa sikat (Brushless Excitation) adalah sebagai berikut: Generator penguat pertama disebut pilot exciter dan generator penguat kedua disebut main exciter (penguat utama). Main exciter adalah generator arus bolak balik dengan kutub pada statornya. Rotor menghasilkan arus bolak-balik disearahkan dengan dioda yang berputar pada poros main exciter (satu poros dengan generator utama). Arus searah yang dihasilkan oleh dioda berputar menjadi arus eksitasi generator utama. Pilot exciter pada generator arus bolakbalik dengan rotor berupa kutub magnet permanen yang berputar menginduksi pada lilitan stator. Gambar 2.5 Sistem Eksitasi tanpa sikat (Brushless Excitation) Tegangan bolak-balik disearahkan oleh penyearah dioda dan menghasilkan arus searah yang dialirkan ke kutub-kutub magnet yang ada pada stator main exciter. Besar arus searah yang mengalir ke kutub main exciter diatur oleh pengatur tegangan otomatis (Automatic Voltage Regulator atau AVR). Besarnya arus 16
eksitasi berpengaruh pada besarnya arus yang dihasilkan main exciter, maka besarnya arus main exciter juga mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh generator utama. Pada sistem Eksitasi tanpa sikat, permasalahan timbul jika terjadi hubung singkat atau gangguan hubung tanah di rotor dan jika ada sekering lebur dari dioda berputar yang putus, hal ini harus dapat dideteksi. Gangguan pada rotor yang berputar dapat menimbulkan distorsi medan magnet pada generator utama dan dapat menimbulkan vibrasi (getaran) berlebihan pada unit pembangkit 2.3 AVR (Automatic Voltage Regulator) Pembahasan ini erat kaitannya dengan pembahasan mengenai sistem eksitasi karena prinsip kerja dari AVR adalah mengatur arus penguatan pada exciter. Sistem pengoperasian Unit AVR (Automatic Voltage Regulator) berfungsi untuk menjaga agar tegangan generator tetap konstan dengan kata lain generator akan tetap mengeluarkan tegangan yang selalu stabil tidak terpengaruh pada perubahan beban yang selalu berubah-ubah, dikarenakan beban sangat mempengaruhi tegangan output generator. Prinsip kerja dari AVR adalah mengatur arus penguatan (excitacy) pada exciter. Apabila tegangan output generator di bawah tegangan nominal tegangan generator, maka AVR akan memperbesar arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dan juga sebaliknya apabila tegangan output Generator melebihi tegangan nominal generator maka AVR akan mengurangi arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dengan demikian apabila terjadi perubahan tegangan output Generator 17
akan dapat distabilkan oleh AVR secara otomatis dikarenakan dilengkapi dengan peralatan seperti alat yang digunakan untuk pembatasan penguat minimum ataupun maximum yang bekerja secara otomatis. Fungsi AVR adalah sebagai berikut: Gambar 2.6 Skema Kerja AVR - Mengatur tegangan keluaran generator agar tetap konstan (stabil). - Mengatur besarnya daya reaktif. - Mempertinggi kapasitas pemuatan (Charging Capacity) saluran transmisi tanpa beban dengan mengendalikan eksitasi. - Menekan kenaikan tegangan pada pembuangan beban (Load Rejection). - Menaikkan batas daya stabilitas peralihan. 18
Sedangkan sifat-sifat dari AVR adalah: - Mudah dikendalikan. - Dapat mengendalikan dengan stabil. - Mempunyai respon / tanggapan yang cepat. - Tegangan yang dikendalikan harus sama dengan tegangan yang diinginkan dan diperoleh dari AVR. Berdasarkan cara penyediaan dayanya, AVR terbagi menjadi: - AVR type Magnetic Amplifier ( penguat magnet ). - AVR type Static Excitation System ( eksitasi static ). - AVR type Brushless Excitation System ( eksitasi tanpa sikat arang ). AVR dilengkapi dengan peralatan yang digunakan untuk pembatasan arus eksitasi minimum ataupun maksimum yang bekerja secara otomatis yang biasa disebut limiter. Ada beberapa jenis limiter di AVR, diantaranya adalah berikut ini : 1. OEL (Over Excitation Limiter) adalah peralatan yang berfungsi membatasi maksimal arus eksitasi yang diijinkan. Jika terjadi kondisi arus eksitasi melebihi batasan maksimal, maka OEL akan mengurangi arus eksitasi. 2. UEL (Under Excitation Limiter) adalah peralatan yang berfungsi membatasi minimal arus eksitasi yang diijinkan. 3. V/Hz Limiter adalah peralatan yang berfungsi membatasi nilai maksimal parameter V/Hz pada generator. Jika terjadi kondisi limiter gagal, maka proteksi generator akan bekerja. 19
AVR dapat beroperasi dalam dua kondisi, manual control atau automatic control dengan batas parameter standar yang dibutuhkan oleh generator. Pengaturan tersebut bertujuan untuk menjamin operasi generator berjalan dengan baik tanpa masalah. Berikut ini adalah komponen utama AVR (Automatic Voltage Regulator): - Signal Mixer ( SMX ) - Voltage Error Detector ( VED ) - Minimum Excitation Limiter (MEL) - Over Excitation Limiter (OEL) - Voltage Detector (VD) - V/Hz limiter - Dumping ( DMP ) - Comparator ( CMP ) - Field Follower ( FFR ) - Drive Ampllifier ( DRA ) 2.4 Sistem Proteksi Generator Generator sinkron merupakan peralatan sistem tenaga yang paling mahal, dan dihadapkan kepada berbagai kemungkinan gangguan. Kapasitas unitnya mencapai 315 MW, sehingga kegagalan unit pembangkit akan menyebabkan kelebihan beban pada pembangkit lain, bahkan mungkin menyebabkan instabilitas. Sistem proteksi generator perlu mendeteksi semua kondisi abnormal, tetapi sederhana dan tinggi keandalannya. Relay proteksi hanya boleh mentrip CB kalau memang diperlukan, dan jika harus trip rele tidak boleh gagal atau terlambat. Resiko yang dihadapi adalah pemadaman panjang, kerusakan yang sukar diperbaiki, atau keduanya. Masalah lain pada proteksi generator adalah bahwa dengan membuka CB, gangguan belum akan berhenti karena penggerak mula yang masih bekerja dan sistem eksitasi masih tersambung. Karena itu pembukaaan CB dilakukan 20
8 bersamaan dengan penghentian masukan bahan bakar atau batubara dan pemutusan arus eksitasi, diikuti dengan pengereman. Pada saat start-up, sistem proteksi tidak boleh bekerja mentrip CB disebabkan oleh frekuensi atau tegangan generator yang belum mencapai nilai normal. Gangguan pada generator sinkron dikelompokkan sebagai berikut: a. Gangguan Stator Gangguan pada belitan stator akan mempengaruhi gulungan jangkar (armature). Dalam hal ini generator harus segera di shutdown. Membuka sirkit bukanlah jalan yang membantu memperbaiki keadaan, sebabnya e.m.f di induksikan ke gulungan stator sendiri. Yang termasuk gangguan stator adalah: hubung singkat fase ke tanah, hubung singkat fase ke fase dan hubung singkat antar lilitan, b. Gangguan pada rotor Gangguan pada rotor bisa berupa hubung singkat ke tanah (earth fault) atau hubung singkat antar lilitan yang disebabkan oleh tekanan mekanik atau suhu yang tinggi terhadap isolasi lilitan rotor. Umumnya rotor diisolasi terhadap tanah sehingga hubung singkat ke inti rotor pada satu titik kumparan medan masih dapat ditolerir. Tetapi adanya earth fault tersebut perlu diketahui, agar kemudian dapat diperbaiki pada saat generator sedang distirahatkan. Jika gangguan tanah terjadi pula pada titik lain dari kumparan medan, akan menyebabkan fluks magnit pada celah udara tidak simetris, dan hal ini akan menimbulkan getaran pada putaran rotor yang berbahaya bagi bantalan. Gangguan lainnya adalah rangkaian rotor terbuka, tetapi
9 gangguan ini jarang terjadi. Gangguan ini menimbulkan arcing ke inti rotor, dan menyebabkan kerusakan serius. c. Kondisi kerja abnormal Beberapa kondisi kerja abnormal tersebut ialah: Kegagalan medan (field failure) Jika generator kehilangan pacuan medan, putaran generator akan naik sedikit di atas putaran sinkron dan bekerja sebagai generator induksi, mendapatkan arus pacuannya dari sistem, dan bekerja pada faktor daya leading. Hilangnya medan juga menyebabkan penurunan tegangan, dan dapat menimbulkan lepas sinkron. Keadaan tidak sinkron juga menimbulkan arus induksi pada besi dan kumparan rotor, yang menyebabkan timbulnya panas. Ketidak-imbangan (unbalance) Ketidak-imbangan arus pada ketiga fase dapat terjadi karena gangguan tak simetris atau pembebanan yang tidak simetris. Arus stator yang tidak seimbang menimbulkan arus urutan negatif, yang reaksi jangkarnya berputar pada arah negatif, yaitu berlawanan dengan arah putaran rotor. Fluks reaksi jangkar urutan negatif ini menginduksikan tegangan pada rotor (kumparan dan inti rotor) dengan frekuensi 2 kali frekuensi dasar (50 x 2 = 100 Hz). Arus induksi dengan frekuensi 100 Hz ini mengalir pada permukaan rotor (damper winding, ring pengikat, gigi pinggir alur kumparan rotor). Arus sesaat (spurious current) ini menyebabkan
10 pemanasan pada rotor. Besar arus urutan negatif yang dapat ditolerir mengalir pada stator umumnya jauh di bawah arus rated generator. Pemanasan lebih pada stator Pembebanan lebih, kegagalan sistem pendingin, hubung singkat pada lapisan-lapisan inti, dan kegagalan isolasi pada baut pengikat lapisanlapisan inti, menyebabkan pemanasan lebih (overheating) pada stator, yang mempengaruhi umur isolasi. Kegagalan penggerak mula Menyebabkan generator menarik daya aktif dari jala-jala (disebut motoring), pada waktu bekerja paralel. Ini membahayakan penggerak mula, karena diputar oleh rotor generator. Kebutuhan input daya listrik untuk memutar penggerak mula berbeda-beda menurut jenis penggerak mulanya. Kehilangan beban mendadak Menyebabkan generator (mesin) mengalami over-speed, khususnya pada turbin air, karena aliran air masuk tidak dapat berhenti dengan seketika. Over-voltage Terjadi karena over-speed atau karena kegagalan pengatur tegangan otomatis (AVR).
11 Gambar 2.7 Skema Generator dengan Mesin Penggerak dan Medan Penguat 2.4.1 Sistem Proteksi Over Excitation Generator Salah satu sistem proteksi generator adalah proteksi Over Excitation. Proteksi over excitation bertujuan untuk mencegah kerusakan generator atau transformator dikarenakan over excitation. Kondisi ini mencakup gabungan over excitation pada terminal generator (atau LV side transformator) dan terdiri dari dua macam proteksi, yaitu proteksi over excitation generator dan transformator. Selain itu, tiap proteksi over excitation terdiri dari definite time dan inverse time. Proteksi Over Excitation generator bekerja berdasarkan nilai V/Hz dan time delay. Semakin tinggi nilai V/Hz, semakin singkat time delay dari proteksi Over Excitation bekerja.
12 2.5 Koordinasi Setting antara V/Hz Limiter dan Sistem Proteksi Over Excitation Generator Dalam upaya perlindungan suatu peralatan yang mempunyai system kontrol, maka yang harus dipastikan adalah apakah koordinasi antara sistem kontrol dan sistem proteksi sudah tepat. Berikut ini adalah urutan koordinasi kerja antara operasi normal, sistem kontrol (contoh : V/Hz Limiter pada AVR) dan sistem proteksi (contoh : sistem proteksi Over Excitation) berdasarkan standar IEEE/ANSI. Gambar 2.8 Skema Urutan Koordinasi antara Operasi Normal, V/Hz Limiter dan Sistem Proteksi Over Excitation