JUNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) 1-6 1 Setting ele Diferensial Bus High Impedance Pada Sistem Distribusi ing 33 kv di PT. Pertamina U V Balikpapan Wildan Imanur ahman, Margo Pujiantara, dan. Wahyudi Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief ahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: margo@ee.its.ac.id, wahyudi@ee.its.ac.id Abstrak Sistem proteksi harus dapat bekerja untuk memutus arus gangguan yang muncul pada sistem dengan cepat dan selektif. Adanya sistem proteksi tersebut berfungsi untuk melindungi peralatan dari kerusakan akibat adanya arus gangguan. Selain itu, sistem proteksi juga berfungsi untuk membatasi dampak ganguan sehingga kontinuitas supplai daya ke beban tetap optimal. Sistem kelistrikan di PT. Pertamina U V Balikpapan memiliki sistem distribusi yang terdiri dari 5 busbar yang membentuk sistem ring pada tegangan 33 kv. Adanya rencana penambahan pembangkit serta beban yang terhubung dengan sistem ring tersebut membuat setting proteksi yang ada perlu diperhitungkan ulang. Setting proteksi busbar pada sistem distribusi ring tersebut masih terdapat banyak kesalahan serta belum memperhitungkan adanya penambahan pembangkit dan beban baru. Oleh sebab itu, perlu dilakukan perhitungan ulang mengenai setting proteksi busbar yang ada pada sistem ditribusi ring 33 kv di PT. Pertamina U V Balikpapan. Hasil analisa setting proteksi diharapkan dapat membuat sistem proteksi busbar pada sistem ring 33 kv dapat bekerja dengan cepat dan selektif memutus arus gangguan yang mucul. Kata Kunci setting rele, diferensial high impedance, proteksi, busbar. S I. PENDAHULUAN ISTEM proteksi berfungsi untuk memutus arus gangguan yang muncul dengan cepat dan selektif. Ketika arus gangguan muncul maka sistem proteksi harus dapat memutus arus gangguan tersebut dengan cepat sebelum terjadi kerusakan pada peralatan serta membatasi dampak gangguan agar tidak meluas ke seluruh sistem. PT. Pertamina U V Balikpapan merupakan salah satu perusahaan milik negara yang bergerak dalam bidang perminyakan dan gas. Dalam sistem kelistrikannya, PT. Pertamina U V Balikpapan memiliki 9 unit pembangkit STG tetapi kondisi saat ini hanya dioperasikan 6 unit pembangkit. Dalam menyalurkan daya yang dihasilkan digunakan level tegangan menengah yaitu 6,6 kv dan 33 kv. Pada sistem 6,6 kv digunakan sistem distribusi radial sedangkan pada sistem 33 kv merupakan sistem dengan 5 bus utama yang membentuk sistem ring dimana kelima CB yang menghubungkan kelima busbar tersebut dalam keadaan tertutup. Sistem ring tersebut menyebabkan keandalan sistem meningkat tetapi dapat juga menyebabkan dampak gangguan meluas ke seluruh sistem jika gangguan tidak segera diamankan. Untuk pembangunan kedepan PT. Pertamina U V Balikpapan merencanakan untuk menambah pembangkit baru dengan kapasitas 2x15 MW serta beban baru dengan kapasitas 25 MW. Penambahan pembangkit serta beban tersebut dapat meningkatkan level short circuit yang timbul pada busbar di sistem ring 33 kv ini. Hal tersebut dapat menyebabkan setting proteksi yang ada tidak sesuai lagi dengan kondisi yang baru. Pada distribusi ring 33 kv ini terdapat sistem proteksi tambahan yaitu proteksi diferensial high impedance yang berfungsi untuk melindungi busbar. Proteksi diferensial ini digunakan sebagai proteksi utama busbar karena dapat bekerja dengan cepat dan selektif untuk mengisolasi gangguan yang terjadi pada busbar II. POTEKSI BUSBA PADA SISTEM KELISTIKAN A. Busbar Busbar merupakan titik pertemuan atau hubungan antara transformator tenaga, saluran udara, saluran kabel atau peralatan listrik lainnya yang berfungsi untuk menerima dan menyalurkan energi listrik. B. ele Diferensial Prinsip kerja rele diferensial mengacu pada hukum kircoff yaitu keseimbangan jumlah arus antara jumlah arus yang masuk dan jumlah arus yang keluar pada suatu titik. ele diferensial hanya bekerja jika terjadi gangguan pada daerah yang diproteksi dan tidak terpengaruh dengan adanya gangguan akibat beban lebih. Daerah yang diproteksi rele diferensial dibatasi oleh CT yang dipasang pada setiap incoming dan outgoing yang terhubung pada daerah yang diproteksi tersebut. ele diferensial digunakan sebagai pengaman utama karena sifatnya yang dapat bekerja dengan kecepatan tinggi serta sangat selektif mengamankan gangguan yang muncul. Pada kondisi normal, jumlah arus yang masuk akan sama dengan jumlah arus yang keluar daerah yang diproteksi..
JUNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) 1-6 2 C. ele Diferensial High Impedance ele ini memiliki impedansi tinggi yang umumnya bersifat resistif pada rangkaiannya. esistansi tinggi ini berfungsi untuk menimbulkan tegangan ketika dilalui arus pada sisi sekunder CT. Oleh sebab itu, rele diferensial ini disetting berdasarkan nilai tegangan yang muncul pada rele tersebut. Hubungan nilai setting tegangan dan setting arus yang digunakan didasarkan pada hukum ohm dengan menggunakan resistor dengan nilai tertentu. Selain itu, resistansi tersebut juga berfungsi untuk mengatasi dampak adanya saturasi pada salah satu CT yang digunakan pada skema proteksi tersebut. Pada sistem kelistrikan PT. Pertamina U V Balikpapan terdapat 3 level tegangan untuk mendistribusikan daya listrik yaitu 0,38 kv, 6,6 kv dan 33 kv. Tegangan 0,38 kv digunakan untuk mendistribusikan daya listrik ke bebanbeban dengan kapasitas kecil. Untuk tegangan 6,6 kv digunakan untuk mendistribusikan daya listrik ke bebanbeban dengan kapasitas besar yaitu motor berkapasitas besar. Sistem distribusi yang digunakan pada level tegangan 0,38 kv dan 6,6 kv ini adalah sistem distribusi radial. Sedangkan untuk level tegangan 33 kv menggunakan sistem distribusi ring. Selain itu, sistem ring pada level tegangan 33 kv ini juga digunakan untuk mengintegrasikan sistem untuk memperoleh keandalan yang lebih baik. STG 1-6 STG 1-3 STG 1-5 STG 1-5A STG 1-4 s esistor Non-Linear 1HT 3HT 2HT CT CT CT I > 50 Gambar 1. Skema ele Diferensial High Impedance Setiap CT yang ada pada fasa yang sama seluruhnya dihubungkan secara paralel dan setiap feeder yang terhubung pada busbar yang diproteksi harus terpasang CT dengan ratio yang sama. Pada skema diferensial high impedance dibutuhkan adanya resistor dengan nilai resistasi tinggi agar dapat terbangkit tegangan yang pada resistor. Saat terjadi gangguan maka akan muncul arus yang mengalir pada rele. Arus tersebut kemudian menghasilkan tegangan ketika melewati resitor. Apabila nilai tegangan tersebut melebihi nilai setting yang ditentukan maka rele akan segera bekerja mengamankan. esitor non-liniear dipasang secara paralel dengan rele diferensial untuk membatasi nilai tegangan yang muncul pada rele agar tegangan tersebut berada pada nilai yang aman bagi rele. Ketika terjadi gangguan internal maka pada rele akan muncul tegangan dengan nilai yang sangat tinggi. esistor ini memiliki karakteristik yaitu nilai resistansinya akan semakin kecil dengan semakin besarnya nilai tegangan. STG 2-4 STG 2-3 STG 2-2 STG 2-1 2AL-B 2AL-A 3AL 1AL-B 1AL-A Keterangan : eaktor 2AL CB close CB open eaktor 1AL Gambar 2. Sistem Kelistrikan PT. Pertamina U V Balikpapan Tanpa Penambahan Beban Untuk meningkatkan pelayanan, direncanakan adanya penambahan generator dan beban baru yang masing-masing berkapasitas 2x15 MW dan 25 MW. Penambahan tersebut akan digabungkan ke dalam sistem ring 33 kv. III. SISTEM KELISTIKAN PT. PETAMINA U V BALIKPAPAN PT. Pertamina U V Balikpapan memiliki 9 unit pembangkit STG. Namun kondisi eksisting hanya dioperasikan enam unit pebangkit STG serta dua unit diesel yang dioperasikan stanby. Unit-unit pembangkit pada PT. Pertamina U V Balikpapan tersebut dipusatkan dalam 2 Power Plant yaitu Power Plant I (PP-I) dan Power Plant II (PP-II). Dimana Power Plant I terdiri dari 5 unit pembangkit sedangkan Power Plant II terdiri dari 4 unit pembangkit.
JUNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) 1-6 3 STG 1-6 STG 1-3 STG 1-5 STG 1-5A STG 1-4 Gambar 4. ele Diferensial High Impedance Pada Setiap Bus Di Sistem ing 33 kv 1HT 3HT 2HT F5051(1) F5051(2) F50BF(1) F50BF(2) F50BF(3) F5051(new) STG 2-4 STG 2-3 STG 2-1 STG 2-2 eaktor 2AL eaktor 1AL F50BF(5) F50BF(4) 2AL-B 2AL-A 3AL 1AL-B 1AL-A Keterangan : CB close CB open Gambar 3. Sistem Kelistrikan PT. Pertamina U V Balikpapan Dengan Penambahan Beban dan Pembangkit F5051(4) F5051(3) Gambar 5. ele Overcurrent Pada Sistem ing 33 kv IV. PEMILIHAN TIPIKAL POTEKSI PT. PETAMINA U V BALIKPAPAN Untuk mempermudah analisa proteksi maka dipilih beberapa tipikal yang mewakili sistem proteksi pada sistem ring 33 kv. Berikut merupakan tipikal yang diambil : 1. Setting rele diferensial bus high impedance pada setiap bus pada sistem distribusi ring 33 kv yaitu pada bus,,, dan. ele diferensial ini berfungsi sebagai pengaman utama pada busbar. 2. Setting rele overcurrent pada tiap saluran yang terhubung dengan sistem distribusi ring 33 kv. ele overcurrent ini berfungsi sebagai backup jika rele diferensial pada tiap bus gagal bekerja. 3. Setting rele diferensial high impedance pada sistem distribusi ring 33 kv. ele diferensial ini berfungsi sebagai backup jika rele diferensial pada tiap bus serta rele overcurrent gagal bekerja. F87BDZ(2) F87BDZ(1) F87BDZ(3) V. HASIL ANALISIS DAN SIMULASI KOODINASI POTEKSI PADA PT. PETAMINA U V BALIKPAPAN A. Setting ele Diferensial High Impedance Tipikal 1Bus Untuk melakukan setting pada rele tersebut harus mempertimbangkan arus kontribusi yang terjadi saat gangguan internal dan eksternal. Saat terjadi gangguan eksternal maka diasumsikan terdapat CT yang mengalami saturasi sehingga tidak menghasilkan arus ssekunder. Tabel 1 dan 2 merupakan arus kontribusi maksimum dan minimum gangguan internal yaitu pada bus. Tabel 1. 3 Fasa dan 1 Fasa Saat Gangguan di Bus Dari Ke Gangguan 3 fasa Gangguan 1 fasa 1,6 ka 0,07 ka 2,86 ka 0,32 ka 4,82 ka 0,21 ka Tabel 2. Minimum 2 Fasa dan 1 Fasa di Bus saat 4 cycle F87BDZ(5) F87BDZ(4) Minimum 2 Fasa Minimum 1 Fasa Dari Ke 1,14 ka 0,07 ka 2,08 ka 0,22 ka 3,75 ka 0,31 ka
JUNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) 1-6 4 Hasil simulasi menunjukkan bahwa total arus gangguan maksimum 3 fasa sebesar 9280 A dan total arus gangguan maksimum 1 fasa ke tanah sebesar 600 A. Sedangkan total arus gangguan minimum 2 fasa sebesar 6970 A dan total arus gangguan minimum 1 fasa ke tanah sebesar 600 A. Tabel 3 dan 4 merupakan arus kontribusi maksimum dan minimum gangguan eksternal yaitu pada bus dan. Tabel 3. 3 Fasa dan 1 Fasa Saat Gangguan di Bus Dari Ke Gangguan 3 fasa Gangguan 1 fasa 1,6 ka 0,07 ka 6,41 ka 0,27 ka 4,81 ka 0,2 ka Tabel 4. 3 Fasa dan 1 Fasa Saat Gangguan di Bus Dari Ke Gangguan 3 fasa Gangguan 1 fasa 1,6 ka 0,07 ka 2,86 ka 0,32 ka 4,46 ka 0,39 ka Perhitungan saat gangguan eksternal diasumsikan adanya CT yang mengalami saturasi sehingga tidak mengalirkan arus sekunder. Saturasi ini disebabkan karena arus yang mengalir pada sistem sangat besar. Dengan demikian diharapkan rele tidak akan salah beroperasi saat gangguan eksternal terjadi. Setting rele diferensial harus menggunakan arus gangguan eksternal terbesar yang mungkin terjadi. CT yang diasumsikan saturasi adalah CT yang dilewati arus gangguan terbesar. Gangguan eksternal terjadi di bus dan bus. Gangguan di bus Vs (3 fasa) = 0.5. If max. ( CT + 2 L) =. (3,5 + 2. 0,15) = 9,74 V Gangguan di bus Vs (3 fasa) = 0.5. If max. ( CT + 2 L) =. (3,5 + 2. 0,15) = 6,32 V Dipilih Vs dengan nilai terbesar yaitu 9,74 V. Dengan asumsi margin perlindungan 1,6 maka didapatkan nilai : V PKP = 1,6 x 9,74 = 15,58 V Setting arus bernilai dibawah 30% arus gangguan minimum dan bernilai diatas arus beban penuh dari satu income [4]. I FL< Iset < 30% Isc min In < Iset < 0,23 In < Iset < 1,21 In Dipilih Ir (I>) = 0,24 In Niali stabilizing resistor (s) ditentukan dengan menggunakan nilai Vs dan Ir berdasarkan hukum ohm. Sehingga didapat : s = = = 64,92 Ω Tegangan knee point (Vk) dari CT yang digunakan minimal 5 kali tegangan stabilitas. Sehingga didapat nilai Vk yaitu : Vk = 5 x 9,74 = 48,7 V Nilai Vk yang didapat masih dibawah nilai tegangan knee point dari CT yang digunakan sehingga CT yang digunakan masih memenuhi persyaratan. Untuk mengetahui besar arus operasi minimum yang membuat rele bekerja maka perlu diketahui besar arus eksitasi CT sesuai kurva pada gambar. Arus eksitasi pada 15,58 V sebesar 0,003 A. Sehingga besar arus operasi minimum didapatkan sebesar : In Iop = CT atio x (Ir + n. Ie) = 1250/1 x (0,24 + 3. 0,003) = 311,25 A Sehingga dengan arus gangguan minimum sebesar 5060 A pada gangguan dua fasa dan 600 A pada gangguan satu fasa ke tanah maka setting rele diferensial memenuhi kriteria yang dibutuhkan. Berdasarkan standart IEEE, rele diferensial bekerja dari 1-3 cycle [2]. Setting waktu rele diferensial ini dipilih saat 3 cycle. Sehingga apabila terjadi gangguan internal maka rele diferensial bekerja pada 0,06s. Ketika terjadi gangguan internal maka pada rele akan terbangkit tegangan yang cukup besar. Jika tegangan terbangkit maksimum melebihi 3000 V peak maka perlu dipasang resistor non-linear untuk membatasi tegangan pada level yang aman bagi rele [4]. Nilai tegangan peak maksimum dari perhitungan didapatkan sebesar : Vf = I f ( CT + 2 L + S + r) = 9280 / 1250 (3,5 + 2.0,15 + 64,92+ 0) = 510,18 V Vp = 2 = 2 = 704,48 V Hasil perhitungan menunjukkan bahwa tegangan maksimum yang dapat muncul pada rele masih dibawah nilai yang aman bagi rele. Oleh sebab itu, resistor non-linear tidak perlu dipasang pada sistem proteksi diferensial tersebut.
JUNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) 1-6 5 High Set : I SET < 0,8 Isc kontribusi min I SET < In I SET < 1,424 In Tap = 1,42 In Time delay = 0,2 detik Gambar 6. Kurva Eksitasi Current Transformer atio 1250/1 B. Setting ele Overcurrent Tipikal 2 ele overcurrent pada sistem ring 33 kv berfungsi sebagai pengaman backup jika rele diferensial pada setiap bus gagal bekerja. F5051/67N(1) 0,715 ka 4,33 ka 4,17 ka F5051/67N(2) 0,89 ka 3,51 ka F5051/67N(new) 1,53 ka 1.04 ka 0,88 ka Gambar 8. Plot TCC Gangguan Fasa ele F5051 (2) 4,01 ka 4,17 ka F5051/67N(4) F5051/67N(3) Gambar 7. Minimum 30 Cycle Gangguan L-L Setting rele F5051 (2) pada saluran dan : Manufacturer : ALSTOM Model : KCGG 142 Curve Type : Standard Inverse FLA primer trafo Tnew : 279,93 A N CT : 500 /1 ange tap : 0,08 In 4 In step 0,01 Isc kontribusi min : 0,89 ka (33 kv) Low Set : 1,05 I FL < I SET In < I SET 0,58 In < I SET Tap = 0,59 In Time dial : Dipilih time dial dengan nilai terkecil yaitu 0,05 F50BF(1) F50BF(3) F50BF(2) 0,775 ka 3,57 ka 1,75 ka 1.48 ka 2,69 ka 1,75 ka 1,81 ka 0,78 ka F50BF(5) 3,24 ka 2,37 ka F50BF(4) Gambar 9. Minimum L-L Pada Feeder Setting rele F50BF(2) pada saluran dan : Manufacturer : ALSTOM Model : KCGG 142
JUNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) 1-6 6 N CT : 1250 /1 ange tap : 0,08 In 4 In step 0,01 Isc kontribusi min : 1,48 ka (33 kv) High Set : I SET < 0,8 Isc kontribusi min I SET < In I SET < 0,947 In Tap = 0,94 In Time delay = 0,2 detik Gambar 10. Plot TCC Gangguan Fasa ele F50BF (2) C. Setting ele Diferensial Tipikal 3 simulasi didapatkan bahwa tegangan terbangkit terbesar pada rele adalah saat gangguan pada trafo. Nilai tegangan terrsebut sebesar 11,83 V. Dengan asumsi margin perlindungan 1,6 maka didapatkan nilai : V PKP = 1,6 x 11,83 = 18,93 V Nilai setting arus (Ir) dipilih diatas I FL yaitu sebesar 0,45 In. Sehingga didapat nilai s sebesar : s = = = 42,07 Ω Untuk mengetahui besar arus operasi minimum yang membuat rele bekerja maka perlu diketahui besar arus eksitasi CT sesuai kurva pada gambar. Arus eksitasi pada 18,93 V sebesar 0,005 A. Sehingga besar arus operasi minimum didapatkan sebesar : Iop = CT atio x (Ir + n. Ie) = 1250/1 x (0,45 + 3. 0,005) = 581,25 A Sehingga dengan arus gangguan minimum sebesar 6970 A pada gangguan dua fasa dan 600 A pada gangguan satu fasa ke tanah maka setting rele diferensial memenuhi kriteria yang dibutuhkan. ele diferensial ring ini digunakan sebagai backup rele diferensial pada setiap bus dan rele overcurrent. Sehingga rele diferensial ring ini disetting dengan kelambatan waktu sebesar 0,4 detik. Jika tegangan yang didapat diatas 3000 V maka perlu dipasang resistor non-linear. Untuk itu, perlu diperhitungkan nilai tegangan maksimum saat terjadi ganggguan internal : Vf Vp = 2 = I f ( CT + 2 L + S + r) = 9280 / 1250 (3,5 + 2.0,15 + 42,07 + 0) = 340,54 V = 2 = 474,2V Hasil perhitungan menunjukkan bahwa tegangan maksimum yang dapat muncul pada rele masih dibawah 3000 V peak. Oleh sebab itu, resistor non-linear tidak perlu dipasang pada sistem proteksi diferensial tersebut. New gen 1 New gen 2 Tnew Gambar 11. Gangguan Eksternal Pada Proteksi Diferensial ing Untuk melakukan setting rele diferensial ini sama dengan cara untuk melakukan setting rele diferensail di atas. Hasil VI. KESIMPULAN Hasil perhitungan setting rele diferensial tersebut didapatkan nilai operasi terbesar yaitu 311,25 A. Ketika dilakukan simulasi untuk menentukan besar arus gangguan internal maka didapatkan nilai arus gangguan minimum 1 fasa ke tanah dan 2 fasa lebih besar dari arus operasi. Sehingga apabila terjadi gangguan maka rele diferensial akan segera bekerja memutus arus gangguan sesuai setting waktu yang ditentukan yaitu sebesar 0,06s. Jika rele diferensial pada setiap bus gagal bekerja maka rele overcurrent akan segera bekerja pada 0,2 s. Namun, apabila rele overcurrent tersebut gagal bekerja maka rele diferensial pada ring akan bekerja pada 0,4 s. ele diferensial pada ring
JUNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) 1-6 7 ini memiliki arus operasi sebesar 581,25 A. Nilai tersebut dibawah nilai arus gangguan minimum 2 fasa maupun 1 fasa ketanah untuk gangguan yang terjadi pada ring 33 kv. EFEENSI [1].M. ifaat, 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 Std 242-2001, IEEE ecommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, Ch. 15, 2001. [3] Cahier Technique No. 158, Calculation of Short-circuit Current, Schneider Electric, 2005. [4] Service Manual 8551D, Type KCGG KCEG KCEU Overcurrent elays, Areva, Ch. 4, 2005. [5] Wahyudi, Diktat Kuliah Pengaman Sistem Tenaga Listrik, Teknik Elektro ITS, Surabaya, 2004. [6] Anderson, P.M, Power System Protection, John Wiley & Sons, Inc., Canada, Ch. 3, 1998. [7] Service Manual 8501H, K ange Series 1 Overcurrent elays, Areva, Section 5, 2005.