Studi Koordinasi Proteksi Sistem Kelistrikan di Project Pakistan Deep Water Container Port

PROCEEDING TUGAS AKHIR, (2014) 1-6 1 Studi Koordinasi Proteksi Sistem Kelistrikan di Project Pakistan Deep Water Container Port Adam Anas Makruf, Margo Pujiantara 1), Feby Agung Pamuji 2) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: margo@ee.its.ac.id 1) feby@ee.its.ac.id 2) Abstrak Pada suatu sistem kelistrikan industri, timbulnya suatu gangguan hubung singkat sangat memungkinkan terjadi. Dalam mengamankan sistem kelistrikan dari gangguan hubung singkat, diperlukan peralatan pengaman yang handal. Rele pengaman dipasang untuk mengamankan dan melokalisir gangguan agar tidak merusak peralatan pendukung proses produksi. Setting dan koordinasi rele pengaman yang tepat diperlukan agar rele pengaman selektif dalam mengamankan daerah yang terjadi gangguan. Project Pakistan Deep Water Container Port merupakan plant baru sehingga koordinasi rele pengamannya belum ada. Oleh karena itu diperlukan setting koordinasi sistem proteksi yang tepat dan handal. Rele pengaman yang di-setting yaitu rele arus lebih (Over Current Relay) dan rele gangguan ke tanah (Ground Fault Relay). Dari analisis koordinasi proteksi melalui gambar kurva TCC (Time Current Curve), dapat diketahui setting dan koordinasi rele pengaman yang tepat untuk mengamankan sistem kelistrikan di Project Pakistan Deep Water Container Port, sehingga kontinuitas daya pada perusahaan tersebut terjaga. Kata Kunci Hubung singkat, Koordinasi proteksi, Rele pengaman P I. PENDAHULUAN ada suatu industri, kontinuitas daya listrik diperlukan untuk menunjang proses produksi. Namun adakalanya kontinuitas daya akan terganggu akibat adanya gangguan pada sistem kelistrikan, salah satunya gangguan hubung singkat. Gangguan hubung singkat sangat sering mengganggu proses produksi yang dapat menimbulkan kerusakan pada peralatan penunjang proses produksi dan operator. Dalam mengamankan sistem kelistrikan dari gangguan, diperlukan peralatan pengaman agar peralatan penunjang proses produksi tidak rusak. Rele pengaman digunakan untuk melokalisir gangguan agar arus gangguan tidak meluas sehingga mengganggu proses produksi. Dalam pengoperasiannya, rele pengaman perlu di-setting dan dikoordinasikan dengan rele pengaman lainnya agar lebih handal dan selektif dalam mengamankan sistem kelistrikan. Pada Project Pakistan Deep Water Container Port, peralatan rele pengamannya belum di-setting dan dikoordinasi satu sama lainnya, sehingga setting dan koordinasi yang tepat diperlukan agar proses produksi tidak terganggu. Pada tugas akhir ini akan dikerjakan setting dan koordinasi rele pengaman pada plant perusahaan tersebut. secara langsung sehingga timbul arus yang besar. Gangguan hubung singkat ini sering terjadi pada sistem tenaga listrik. Gangguan hubung singkat ini dapat digolongkan menjadi dua golongan yaitu gangguan hubung singkat simetri dan gangguan hubung singkat tak simetri [1]. Pada umumnya, gangguan yang sering terjadi di sistem tenaga listrik adalah gangguan hubung singkat tak simetri. B. Setting Rele Arus Lebih Waktu Inverse Rele arus lebih memiliki waktu operasi yang berbanding terbalik dengan besarnya arus gangguan [2]. Apabila arus gangguan semakin besar maka rele akan beroperasi dalam waktu yang semakin cepat, dan juga. Sebaliknya, jika arus gangguan kecil maka waktu operasi rele akan lebih lama. Batas setting rele arus lebih adalah rele tidak bekerja pada saat beban maksimum. Oleh karena itu setting arusnya harus lebih besar dari arus beban maksimum. Rele arus lebih memiliki setelan pickup dan setelan time dial. Pada rele arus lebih, besarnya arus pickup ini ditentukan dengan pemilihan tap. Adapun untuk menentukan besarnya tap yang digunakan dapat menggunakan persamaan berikut : Tap =... (1) Iset adalah arus pickup dalam Ampere. Berdasarkan standar British BS 142 batas settingnya adalah 1.05-1.3 Iset. Setting time dial menentukan waktu operasi rele. Untuk menentukan time dial dari masing-masing kurva karakteristik invers rele arus lebih dapat digunakan persamaan sebagai berikut [4]: t =... (2) Di mana : t = waktu operasi (detik) T = time dial I = nilai arus (Ampere) Iset = arus pickup (Ampere) k = koefisien invers 1 (lihat Tabel 2.1) = koefisien invers 2 (lihat Tabel 2.1) = koefisien invers 3 (lihat Tabel 2.2) II. TEORI PENUNJANG A. Gangguan Hubung Singkat (Short Circuit) Gangguan hubung singkat terjadi karena hubungan antar konduktor baik yang bertegangan maupun tidak bertegangan

PROCEEDING TUGAS AKHIR, (2014) 1-6 2 Tabel 1 Koefisien invers time dial [4] Koefisien Tipe Kurva k Standard Inverse 0,14 0,02 2,970 Very Inverse 13,50 1,00 1,500 Extremely Inverse 80,00 2,00 0,808 C. Setting Rele Arus Lebih Instan (Instantaneous) Rele arus lebih instan akan bekerja seketika jika ada arus lebih yang mengalir melebihi batas yang diijinkan. Dalam menentukan setelan pickup instan ini digunakan Isc min yaitu arus hubung singkat 2 fasa pada pembangkitan minimum. Sehingga setting ditetapkan: Iset 0.8 I sc min... (3) Untuk pengaman feeder yang dipisahkan oleh trafo, koordinasi pengaman dibedakan menjadi dua daerah, yaitu daerah low voltage (LV), dan daerah high voltage (HV) seperti pada Gambar 2.12. Untuk menentukan setting pickup dengan syarat sebagai berikut: Arus urutan nol akan mengalir dari sumber gangguan trafo belitan Wye Sedangkan untuk setting rele gangguan ke tanah adalah : 5-10% x Isc L-G Iset 50% x Isc L-G... (5) III. SISTEM KELISTRIKAN PROJECT PAKISTAN DEEP WATER CONTAINER PORT Sistem kelistrikan di Project Pakistan Deep Water Container Port adalah sistem distribusi radial. Daya sebesar dengan tegangan dari masing-masing generator A-001A, A-001B, dan A-001C disalurkan ke utility SS-1 dan MCC-CP-006 melalui saluran distribusi 11 kv yaitu. Beban pada utility MCC-CP- 006 menggunakan level tegangan, sehingga tegangan dari diturunkan ke tegangan 0.4 kv menggunakan transformator TR-0001. Sedangkan beban pada utility SS-1 menggunakan 2 level tegangan, yaitu 11 kv dan. Untuk beban pada utility SS-1 dengan tegangan, penyaluran daya listrik dari diturunkan ke level menggunakan transformator step down /. A-001A A-001B A-001C 1A-003 LLG-1 2000 kw 2A-003 LLG-1 2000 kw A-001D I sc max bus B Iset 0.8 I sc min, A...(4) Isc min A A Bus MV-CP-004B Bus 13 Isc max B B Bus 14 TR-0001 SS-1 TR-0002 MCC-CP-006 Gambar 1 Rele arus lebih pengamanan trafo Dimana I sc max bus B adalah arus hubung singkat tiga fasa maksimum pada titik B, sedangkan I sc min, A adalah arus hubung singkat minimum pada titik A. D. Koordinasi Berdasarkan Arus dan Waktu Rele pengaman utama dan rele backupnya tidak boleh bekerja secara bersamaan. Oleh karena itu diperlukan adanya time delay antara rele utama dan rele backup. Time delay ini sering dikenal sebagai setting kelambatan waktu (Δt) atau grading time. Perbedaan waktu kerja minimal antara rele utama dan rele backup adalah 0.2 0.35 detik [3]. Dengan spesifikasi sebagai berikut : Waktu CB open : 0.04 0.1s (2-5 cycle) Overtravel dari rele : 0.1s Faktor keamanan : 0.12-0.22s [5] Untuk rele berbasis microprosessor Overtravel time dari rele diabaikan. Sehingga total waktu yang diperlukan adalah 0.2-0.4s [5]. E. Setting Rele Gangguan Tanah Pertimbangan pada setting koordinasi rele arus lebih gangguan ke tanah adalah: Arus urutan nol akan terisolasi pada trafo belitan delta Gambar 2 Sistem Kelistrikan Project Pakistan Deep Water Container Port IV. ANALISA DAN HASIL PENGUJIAN A. Analisis Arus Gangguan Hubung Singkat Analisis ini dilakukan untuk menentukan setting rele arus lebih. Untuk perhitungan arus hubung singkat digunakan 2 parameter, yaitu hubung singkat maksimum dan hubung singkat minimum. Hubung singkat minimum adalah hubung singkat 2 fasa pada saat 30 cycle. Sedangkan hubung singkat maksimum adalah hubung singkat 3 fasa pada saat 4 cycle. Pada analisis ini dilakukan pada bus-bus typical yang dipilih. B. Koordinasi Rele Arus Lebih Gangguan Fasa Pada paper ini digunakan typical 1 sebagai contoh perhitungan setting rele. Dan sebagai pembanding, digunakan typical 3 sebagai koordinasi typical terpanjang. B.1 Koordinasi Rele Arus Lebih Gangguan Fasa Typical 1 Koordinasi typical 1 rele arus lebih fasa pada beban MCC-CP-006 mulai dari bus MCC-CP-06A hingga ke generator A-001A. Peralatan pengaman yang

PROCEEDING TUGAS AKHIR, (2014) 1-6 3 dikoordinasikan yaitu LVCB 197, LVCB 81, rele 11, dan rele 1 seperti gambar 3 berikut. A-001A Bus 13 Bus 14 LVCB 81 LVCB 197 Cable1 CB 1 CB 9 Relay 1 Relay 11 Cable5 TR-0001 Cable6 Bus 92 MCC-CP-006A Gambar 3 Typical koordinasi 1 Perhitungan manual pada typical ini adalah sebagai berikut: LVCB 197 : Merlin Gerlin : STR 38SP Ifull load : 2416.7 A Isc min Bus MCC-CP-006A : 17.01 ka () Isc max Bus MCC-CP-006A : 20.84 ka () Sensor : 4000 Rating plug : 4000 Long Time Pick Up 1.05 x Ifull load < Iset < 0.8 x Isc min Bus MCC-CP- 006A 1.05 x 2416.7 A < Iset < 0.8 x 17.01 ka 3031.35 A < Iset < 13.61 ka Dipilih Iset = 3200 A LT Pick Up = = = 0.8 LT Band = Fixed Short Time Pick Up Iset < 0.8 x Isc min Bus MCC-CP-06A Iset < 13.61 ka Dipilih Iset = 12000 A ST Pick Up = = = 4 ST Band = 0.1 LVCB 81 : Merlin Gerlin : STR 38S FLA Sekunder Trafo TR-0001 : 2887 A Isc min Bus 92 : 16.92 ka () Isc max Bus 92 : 20.78 ka () Sensor : 4000 Rating plug : 4000 Long Time Pick Up 1.05 x FLA Sekunder Trafo TR-0001 < Iset < 0.8 x Isc min Bus 92 1.05 x 2887 A < Iset < 0.8 x 16.91 ka 3031.35 A < Iset < 13.53 ka Dipilih Iset = 3400 A LT Pick Up = = = 0.85 LT Band = Fixed Short Time Pick Up Iset < 0.8 x Isc min Bus 92 Iset < 13.53 ka Dipilih Iset = 10200 A ST Pick Up = = = 3 ST Band = 0.3 Rele 11 : ALSTOM : P127 Curve Type : CT Ratio : 200 / 5 FLA Primer Trafo TR-0001 : 105 A () Isc min : 7.04 ka () Isc max : 15.21 ka () Isc max Bus 92 : 20.78 ka () Overcurrent Pick Up 1.05 x FLA Primer Trafo TR-0001 < Iset < 0.8 x Isc min 1.05 x 105 A < Iset < 0.8 x 7.04 ka 110.25 A < Iset < 5.632 ka Dipilih Iset = 120 A Tap = = = 0.6 Time Dial t = Dipilih t = 0.09 0.09 = T = 0.2 Instantaneous Pick Up Isc max bus 92 < Iset < 0.8 x Isc min 20.78 x ka < Iset < 0.8 x 7.04 ka 0.76 ka < Iset < 5.632 ka Dipilih Iset = 4000 A Tap = = = 20 Time delay = 0.1 Rele 1 : ALSTOM : P343 Curve Type : IECStandard Inverse CT Ratio : 600 / 5 FLA Generator A-001A : 576.3 A () Isc min kontribusi gen A-001A : 2.05 ka ()

PROCEEDING TUGAS AKHIR, (2014) 1-6 4 Isc max kontribusi gen A-001A : 2.93 ka () Overcurrent Pick Up 1.05 x FLA Generator A-001A < Iset < 0.8 x Isc min kontribusi generator A-001A 1.05 x 576.3 A < Iset < 0.8 x 2.05 ka 605.12 A < Iset < 1.64 ka Dipilih Iset = 630 A Tap = = = 1.05 Time Dial t = Dipilih t = 0.4 0.4 = T = 0.26 Instantaneous Pick Up Iset < 0.8 x Isc min kontribusi generator A-001A Iset < 0.8 x 2.05 ka Iset = 1.64 ka Dipilih Iset = 1500 A Tap = = = 2.5 Time delay = 0.9 sebagai backup dari LVCB 197. Apabila terjadi gangguan di bus 92, LVCB 81 ini bekerja sebagai pengaman utama. Rele 11 berfungsi sebagai pelindung belitan primer trafo TR-001 dan kabel 5. Rele ini juga berfungsi sebagai backup dari LVCB 81 apabila gagal bekerja. Saat terjadi gangguan di bus 13 dan bus 14, rele 11 ini bekerja sebagai pengaman utama. Pada saat trafo TR-001 mengalami inrush maka rele ini tidak bekerja Rele 1 berfungsi sebagai pelindung generator A- 001A dan kabel 1. Rele 1 ini berfungsi sebagai pengaman utama saat terjadi gangguan di bus MV- CP-004A. Rele 1 ini juga berfungsi sebagai backup dari rele 11 apabila gagal bekerja. B.2 Koordinasi Rele Arus Lebih Gangguan Fasa Typical 3 Koordinasi rele arus lebih fasa dan ground pada beban SS-1 mulai dari Lump 32 hingga ke generator A-001C. Peralatan pengaman yang dikoordinasikan yaitu rele 58, rele 35, rele 34, rele 33, rele 32, rele 18, rele 12, dan rele 3 seperti gambar 5 berikut. A-001C CB 10 Relay 12 CB 3 Cable9 Cable3 Relay 3 3A Dari hasil perhitungan didapatkan hasil plot time curve current seperti pada gambar 4. HSB-SS1-01A Relay 18 CB 13 Relay 32 CB 15 HSB-SS1-01B 3B HSB-SS1-02 Relay 33 CB 57 CB 188 Relay 34 Cable37 Relay 35 CB 60 HSB-SS2-01B CB 204 Relay 58 T15 1250 kva Gambar 5 Typical koordinasi 3 Hasil setting koordinasi dan plot time curve current typical 3 dapat dilihat pada tabel 2 dan gambar 6 berikut. Bus 71 Gambar 4 Hasil kurva plot setting rele typical 1 Dari gambar dapat disimpulkan sebagai berikut. LVCB 197. Apabila terjadi gangguan di bus MCC- CP-006A, LVCB 197 ini sebagai pengaman utama. LVCB 197 ini hanya bekerja ketika terjadi gangguan di bus MCC-CP-006A. LVCB 81 berfungsi sebagai pelindung belitan sekunder trafo TR-001. LVCB 81 ini juga berfungsi Tabel 2 Setting Koordinasi Rele Gangguan Fasa Typical 3 Rele Rele 58 CT Ratio 500/5 Rele 35 ALSTOM P121 Rele 34 ALSTOM P121 Rele 33 ALSTOM 343 CT Ratio 800/5 Setting I > 0,14 (70 A) T = 0,225 I >> 4 (2000 A) Time delay = 0,1 I > 0,27 (160 A) T = 0,65 I >> 4 (2500 A) Time delay = 0,3 I > 0,27 (160 A) T = 0,65 I >> 4 (2500 A) Time delay = 0,3 I > 0,22 (175 A) T = 0,78 I >> 3,125 (2500 A) Time delay = 0,5

PROCEEDING TUGAS AKHIR, (2014) 1-6 5 Tabel 2 Setting Koordinasi Rele Gangguan Fasa Typical 3 (lanjutan) rele 1 sebagai backup dari rele 11 apabila rele 11 gagal bekerja A-001A Rele Setting Rele 32 CT Ratio 800/5 Rele 18 ALSTOM P121 CT Ratio 2500/5 Rele 12 ALSTOM P127 CT Ratio 2500/5 Rele 3 I > 0,75 (600 A) T = 0,7 I >> 3,125 (2500 A) Time delay = 0,5 I > 0,56 (1400 A) T = 0,7 I >> 2,2 (5500 A) Time delay = 0,7 I > 0,56 (1400 A) T = 0,7 I >> 2,2 (2500 A) Time delay = 0,7 I > 1,05 (630 A) T = 0,26 I >> 2,5 (1500 A) Time delay = 0,9 Bus 13 TR-0001 Bus 14 Cable1 CB 1 CB 9 Relay 1 Relay 11 Cable5 Cable6 LVCB 81 LVCB 197 Bus 92 MCC-CP-006A Gambar 7 Typical koordinasi ground fault 1 Tabel 3 Setting Koordinasi Rele Gangguan Tanah Typical 1 Rele Rele 11 ALSTOM P127 Definite Time CT Ratio 200/5 Rele 1 Definite Time Setting I > 0,1 (20 A) Time dial = 0,1 I > 0,03 (20 A) Time delay = 0,9 Gambar 6 Hasil kurva plot setting rele typical 3 C. Koordinasi Rele Arus Lebih Gangguan Tanah Untuk gangguan tanah, digunakan typical 1 sebagai contoh perhitungan setting rele. C.1Koordinasi Rele Arus Lebih Gangguan Tanah Typical 1 Peralatan pengaman yang dikoordinasikan yaitu rele 11, dan rele 1 seperti gambar 7. Hasil setting rele dan plot time curve current typical 1 dapat dilihat pada tabel 3 dan gambar 8. Gambar 8 adalah kurva koordinasi gangguan tanah pada typical 1. Hubung singkat 1 fasa ke tanah dengan besar arus 400 A terjadi pada bus MV-CP-004A dan bus 13. Arus sebesar 400 A adalah arus kontribusi dari generator A-001A yang telah dibatasi oleh NGR. Ketika terjadi hubung singkat di bus 13, pengaman utamanya adalah rele 11. Sedangkan, Gambar 8 Hasil kurva plot setting gangguan tanah typical 1

PROCEEDING TUGAS AKHIR, (2014) 1-6 6 jika terjadi hubung singkat 1 fasa ke tanah di bus MV-CP- 004A, rele 1 berfungsi sebagai pengaman utama periode 2010-2011. Penulis dapat dihubungi di alamat email anasmakruf.adam@gmail.com V. KESIMPULAN 1. Pada setting arus lebih gangguan fasa typical 1, telah dilakukan perhitungan yang tepat sehingga ketika terjadi hubung singkat fasa minimum maka rele yang berada di dekatnya akan bekerja. Pada typical 1 ini, peralatan yang di setting yaitu LVCB 197, LVCB 81, rele 11, dan rele 1. Untuk LVCB 197 dan LVCB 81, setting dilakukan langsung pada CB tersebut. 2. Pada setting arus lebih gangguan fasa typical 3, telah dilakukan perhitungan yang tepat sehingga ketika terjadi hubung singkat fasa minimum maka rele yang berada di dekatnya akan bekerja. Pada typical 3 ini, peralatan yang di setting yaitu rele 58, rele 35, rele 34, rele 33, rele 32, rele 18, rele 12, dan rele 3. Pemilihan typical ini merupakan koordinasi rele terpanjang. 3. Pada setting arus lebih gangguan tanah telah dilakukan perhitungan yang tepat sehingga ketika terjadi hubung singkat 1 fasa ke tanah. Rele-rele pada typical tersebut dikoordinasikan berdasarkan tipe pentanahan belitan pada trafo dan generator. Nilai arus gangguan ke tanah sebesar 400 A. Hal ini disebabkan karena arus gangguan telah dibatasi oleh NGR yang terdapat pada generator. Untuk pentanahan belitan trafo delta-wye (solid), pengamanannya cukup menggunakan rele pengaman fasa. DAFTAR PUSTAKA [1] Penangsang, Ontoseno, Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga 2,Teknik Elektro-ITS, Surabaya, 2006 [2] Gers, Juan M., Holmes, Edward J., Protection of Electricity Distribution Networks 2nd Edition, The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom, 2004 [3] Gurevich, Vladimir, Electric Relays, Principle and Application, CRC Press, USA, Ch. 10, 2006 [4] Technical Data and Curves Characteristics, ALSTOM [5] IEEE std 242-1986 BIODATA PENULIS Penulis memiliki nama lengkap Adam Anas Makruf. Lahir di Gresik pada tanggal 31 Januari 1992. Penulis tercatat sebagai mahasiswa di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Jurusan Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah penulis aktif mengikuti berbagai seminar dan pelatihan. Penulis juga aktif mengikuti berbagai kegiatan kemahasiswaan, salah satunya menjadi staf HIMATEKTRO