STUDI PROTEKSI GANGGUAN HUBUNG TANAH PADA STATOR GENERATOR MENGGUNAKAN METODE TEGANGAN HARMONISA KETIGA Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Oleh : DEDI MAHENDRA 050402091 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
ABSTRAK Gangguan hubung singkat pada stator generator sangat berbahaya karena dapat menimbulkan kerusakan yang serius. Metode proteksi biasa tidak dapat melindungi keseluruhan belitan stator. Bagian yang tidak terlindungi adalah bagian dekat dengan titik netral generator. Sehingga harus digunakan metode proteksi yang dapat melindungi keseluruhan belitan. Tugas akhir ini akan membahas tentang proteksi stator generator menggunakan metode tegangan harmonisa ketiga. Metode ini dapat melindungi keseluruhan belitan stator. Penulis menggunakan software Matlab Simulink untuk melihat kinerja proteksi ini pada suatu generator.
KATA PENGANTAR Segala puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah S.W.T yang telah memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi segala cobaan, halangan dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring salam penulis hadiahkan ke junjungan Nabi Muhammad S.A.W. Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu ayahanda dan ibunda, serta abanganda dan kedua adik tercinta yang merupakan bagian hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan dari sejak penulis lahir hingga sekarang. Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah : STUDI PROTEKSI GANGGUAN HUBUNG TANAH PADA STATOR GENERATOR DENGAN MENGGUNAKAN METODE TEGANGAN HARMONISA KETIGA Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis dalam kesempatan ini ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane selaku Dosen Pembimbing yang dengan sabar dan tulus meluangkan waktu dan pikiran untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Ir. Kasmir Tandjung selaku dosen wali penulis yang senantiasa memberikan bimbingan selama perkuliahan. 3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT dan Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. 4. Bapak Prof. DR. Ir. Usman Baafai selaku Kepala Laboratorium Sistem Tenaga FT USU. 5. Seluruh Staf Pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh Pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, atas bantuan administrasinya. 6. Keluarga Besar Laboratorium Sistem Tenaga FT USU : B Fahmi, B Emil, Irpan, Budi, B Immanuel. 7. Sahabat-sahabat terbaikku, Megi, Andry, Ricky, Su ib, Luthfi, Reza, Gifari, Herman, Harpen, Prindi, Rifky, Rudi, Ardhi, Arie, Kira, Putra, Dedi.A, Andica, Riza, Khairil, Umar, Iqri, Taci, Yona, Muti, Diana, Ami, Dewi, Apri, Once, Cici, semua teman-teman `05 yang tidak mungkin disebutkan satu persatu. 8. Serta semua abang senior dan adik junior yang telah mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis. 9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Akhir kata penulis menyadari bahwa tulisan ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Semoga Tugas Akhir ini dapat memberi manfaat khususnya bagi penulis pribadi maupun bagi semua pihak yang membutuhkannya. Dan hanya kepada Allah SWT-lah penulis menyerahkan diri. Medan, Mei 2009 Penulis Dedi Mahendra NIM : 050402091
DAFTAR ISI Abstrak... i Kata Pengantar... ii Daftar isi... v Daftar Gambar... ix Daftar Tabel... xi Daftar Grafik... xii BAB I. PENDAHULUAN... 1 1.1 latar Belakang... 1 1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan... 2 1.3 Batasan Masalah... 3 1.4 Metode Penulisan... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 4 BAB II. HARMONISA PADA GENERATOR... 5 II.1 Umum... 5 II.2 Konstruksi Generator Sinkron... 6 II.3 Tegangan Induksi Pada Belitan tiga Fasa... 7 II.4 Masalah Harmonisa pada Belitan Tiga Fasa... 11 BAB III. PROTEKSI GANGGUAN TANAH PADA STATOR GENERATOR 17 III.1 Umum... 17
III.2. Metode Pembumian Generator... 17 III.2.1 Sistem yang tidak dibumikan... 17 III.2.2 Pembumian langsung... 19 III.2.3 Pembumian melalui tahanan tinggi... 20 III.2.4 Pembumian melalui transformator distribusi... 20 III.2.5 Pembumian melalui kumparan peterson... 22 III.2.6 Pembumian melalui tahanan rendah... 22 III.3 Gangguan Tanah Pada Stator... 23 III.3.1 Gangguan Satu Fasa ke Tanah... 26 III.3.2 Gangguan fasa ke fasa... 28 III.4 Proteksi Gangguan Hubung Singkat ke Tanah... 29 III.4.1 Metode Proteksi Tegangan Lebih Netral... 30 III.4.2 Skema Proteksi Tegangan Lebih Delta Terbuka... 31 III.4.3 Proteksi Tegangan Lebih Rangkaian Urutan Nol... 32 III.4.4 Skema Proteksi Arus Lebih... 32 III.4.5 Proteksi Sistem Pembumian Melalui Tahanan rendah... 34 BAB IV. PROTEKSI GANGGUAN HUBUNG TANAH PADA STATOR GENERATOR DENGAN MENGGUNAKAN METODE TEGANGAN HARMONISA KETIGA... 35 IV.1 Prinsip Kerja... 35 IV.1.1 Metode Proteksi Umum... 38
IV.1.2 Proteksi Menggunakan tegangan Harmonisa Ketiga... 38 IV.1.2.1 Metode Tegangan Kurang... 39 IV.1.2.2 Metode Tegangan Lebih... 40 IV.1.2.3 Metode Rasio Tegangan... 40 IV.2 Tegangan Harmonisa Ketiga Generator... 41 IV.2.1 Nilai konstanta Generator... 43 IV.2.2 Tegangan Harmonisa Ketiga... 44 IV.3 Rangkaian Ekuivalen... 45 IV.3.1 Rangkaian Ekivalen Kondisi Normal... 45 IV.3.2 Rangkaian Ekivalen Kondisi Gangguan... 47 IV.3.3 Persamaan Matematis... 48 IV.4 Simulasi Menggunakan Matlab Simulink... 53 IV.4.1 Simulasi Pada Keadaan Normal... 54 IV.4.2 Simulasi Pada Keadaan Gangguan... 55 V.4.2.1 Metode Tegangan Kurang... 56 IV.4.2.2 Metode Tegangan Lebih... 59 IV.4.2.3 Metode Rasio Tegangan... 63
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN... 68 V.1 Kesimpulan... 68 V.2 Saran... 68 DAFTAR PUSTAKA... 69
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Sebuah generator sinkron... 5 Gambar 2.2 Rotor non salient dua kutub... 6 Gambar 2.3 Rotor salient enam kutub... 6 Gambar 2.4 Mesin Sinkron 4 kutub... 7 Gambar 2.5 Bentuk gelombang harmonisa...11 Gambar 2.6 Rotor ferromagnetik menyapu bagian konduktor stator...12 Gambar 2.7 Kerapatan distribusi fluks medan...12 Gambar 2.8 Arus harmonisa mengalir melalui belitan Y...14 Gambar 2.9 Arus harmonisa tidak mengalir melalui belitan Y tidak bernetral...15 Gambar 2.10 Arus harmonisa berputar pada belitan hubungan delta...15 Gambar 3.1 Generator yang tidak dibumikan...18 Gambar 3.2 Arus pengisian kapasitansi ke tanah...18 Gambar 3.3 Tegangan kapasitansi tiap fasa ke tanah...18 Gambar 3.4 Pembumian dengan transformator distribusi...21 Gambar 3.5 Tegangan pada saat terjadi gangguan...25 Gambar 3.6 Metode proteksi tegangan lebih netral generator...31 Gambar 3.7 Metode Proteksi tegangan lebih delta terbuka...31 Gambar 3.8 Proteksi tegangan lebih rangkaian urutan nol...32 Gambar 3.9 Metode arus lebih tanah...34
Gambar 4.1 Karakteristik tegangan harmonisa ketiga pada keadaan normal...36 Gambar 4.2 Tegangan harmonisa ketiga saat gangguan di titik netral...37 Gambar 4.3 Tegangan harmonisa ketiga saat gangguan di titik terminal...37 Gambar 4.4 Proteksi stator dengan rele tegangan lebih...38 Gambar 4.5 Metode proteksi tegangan kurang...39 Gambar 4.6 Metode Proteksi tegangan lebih...40 Gambar 4.7 Metode proteksi rasio tegangan...41 Gambar 4.8 Rangkaian ekivalen untuk tegangan harmonisa generator...42 Gambar 4.9 Rangkaian ekivalen kondisi normal...46 Gambar 4.10 Rangkaian ekivalen kondisi gangguan...48 Gambar 4.11 Rangkaian urutan nol...49 Gambar 4.12 Rangkaian ekivalen fasa yang terganggu...52 Gambar 4.13 Rangkaian simulasi pada keadaan normal...54 Gambar 4.14 Rangkaian simulasi metode tegangan kurang...56 Gambar 4.15 Rangkaian simulasi metode tegangan lebih...60 Gambar 4.16 Rangkaian simulasi metode rasio tegangan...64
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Data name plate generator unit 7 PLTU suralaya...43 Tabel 4.2 Tegangan harmonisa ketiga pada berbagai kondisi pembebanan...45 Tabel 4.3 Distribusi tegangan harmonisa ketiga...51 Tabel 4.4 Hasil simulasi...55
DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Tegangan harmonisa ketiga di netral saat beban ringan...57 Grafik 4.2 Tegangan harmonisa ketiga di netral saat tidak berbeban...58 Grafik 4.3 Tegangan harmonisa ketiga di netral saat beban penuh...58 Grafik 4.4 Tegangan harmonisa ketiga di terminal saat beban penuh...61 Grafik 4.5 Tegangan harmonisa ketiga di terminal saat beban ringan...62 Grafik 4.6 Tegangan harmonisa ketiga di terminal saat tidak berbeban...62 Grafik 4.7 Rasio tegangan saat beban ringan...65 Grafik 4.8 Rasio tegangan saat tidak berbeban...65 Grafik 4.9 Rasio tegangan saat beban penuh...66