ANALISIS SISTEM TENAGA Analisis Gangguan Dr. Muhammad Nurdin Ir. Nanang Hariyanto, MSc Departemen Teknik Elektro ITB
Pendahuluan Sistem tenaga listrik pasti mengalami gangguan dengan arus yang besar Alat proteksi arus lebih (CB+O/C relay, fuse) harus dapat mengisolasi lokasi hubung singkat agar kerusakan komponen minimal Perhitungan arus hubung singkat diperlukan untuk : memperoleh perkiraan arus hubung singkat maksimum mencek/memilih kapasitas CB, fuse, bus & rating dan setting alat proteksi & koordinasi proteksi arus lebih memperoleh perkiraan arus h/s minimum menetap mencek sensitivitas alat proteksi evaluasi aliran arus h/s dan profil tegangan selama h/s
Sumber Arus Hubung Singkat Arus (pada frekuensi daya) yang mengalir selama gangguan hubung singkat berasal dari mesin-mesin berputar. Kapasitor daya dapat mengeluarkan arus transien yang besar tapi dalam waktu singkat (pd. f >> f daya). 4 kategori mesin berputar : Generator sinkron Motor sinkron dan synchronous condenser Mesin induksi Electric utility system (untuk sistem distribusi : gardu induk) Besar arus h/s dari setiap mesin berputar dibatasi oleh impedansi mesin (= f(t)) dan impedansi antara mesin tsb dan gangguan
Generator sinkron Z = R + jx Fasa E E = driving voltage X : X d (direct axis sub-transient reactance) X d (direct axis transient reactance) X d (direct axis steady state reactance) Netral
Generator sinkron (lanjutan) Besar reaktansi generator sinkron berubah bila generator merasakan adanya gangguan hubung singkat : X d = reaktansi sub-transien, menentukan arus pd. 1 st cycle pada (frekuensi 50 Hz atau 60 Hz) dari awal gangguan ; setelah ~ 0,1 det. reaktansi naik menjadi : X d = reaktansi transien, menentukan arus beberapa cycles dari awal gangguan ; setelah 0,5-2 det kemudian reaktansi naik menjadi : X d = reaktansi sinkron menentukan arus setelah tercapai keadaan tunak Arus hubung singkat : I = E/Z dengan Z = impedansi total antara teg. dalam generator dengan gangguan
Motor sinkron & Synchronous condenser Motor sinkron mensuplai arus hubung singkat seperti halnya generator sinkron Bila gangguan menyebabkan tegangan sistem turun motor mengalami penurunan suplai daya untuk memutar beban. Pada saat yang sama teg. dalam motor menyebabkan mengalirnya arus ke arah lokasi gangguan. Inersia motor dan beban berlaku sebagai penggerak mula, bila eksitasi motor konstan, motor akan berfungsi sebagai generator mensuplai arus gangguan. Reaktansi motor sinkron berubah dari : X d X d X d Arus h/s dihitung dengan menggunakan sirkit ekivalen generator sinkron Synchronous condenser berperan seperti motor sinkron (tanpa beban)
Mesin Induksi Motor Induksi Motor Induksi rotor sangkar berkontribusi pada arus hubung singkat hanya dalam beberapa cycles saja, kemudian hilang. Reaktansi motor induksi yang digunakan untuk menghitung arus h/s adalah X d yang besarnya mendekati locked-rotor reactance. Motor induksi rotor belitan yang ujung belitan rotornya dihubung singkat berlaku seperti MI rotor belitan. Bila belitan rotornya dihubungkan dengan tahanan luar, konstanta waktu h/s nya kecil sehingga kontribusinya dapat diabaikan. Generator Induksi Pada perhitungan arus h/s = motor induksi.
Tipe Gangguan Hubung singkat Hubung singkat tiga-fasa (simetris) Hubung singkat fasa ke fasa (line-to-line) Hubung singkat fasa-fasa-tanah Hubung singkat fasa ke tanah
Metoda Perhitungan Untuk gangguan hubung singkat tiga-fasa (simetris) sistem tigafasa didekati dengan sirkit ekivalen fasa tunggal (fasa-netral). Dalam hal ini perlu diperhatikan batasan berikut : Komponen-komponen sistem simetris (didesain simetris) Pembebanan sistem (dapat dianggap) seimbang dan simetris. Untuk gangguan hubung singkat tak-simetris, diperlukan transformasi komponen simetris (komponen-komponen urutan positif, negatif dan nol). Perhitungan dilakukan dalam sistem per-unit Menggunakan teorema Thevenin dan Superposisi
Impedansi komponen sistem Untuk perhitungan hubung singkat ½ cycle Interrupting 3 5 cycles 30 cycles Generator sinkron X d, R X d, R X d atau X d, R Motor sinkron, Synchronous condenser Mesin induksi (rotor sangkar) Electric utility system X d, R X d, R H/s maksimum : X d, R H/s minimum : diabaikan X d, R X d, R --- X s, R s X s, R s X s, R s Beban statis X, R X, R X, R
Algoritma Perhitungan Arus Hubung Singkat Siapkan diagram-diagram sistem Kumpulkan dan konversikan data impedansi ke sistem pu Hitung impedansi ekivalen (ekivalensi seri, paralel dan transformasi Y - ) Hitung arus hubung singkat - First cycle short circuit current duties - Interrupting short circuit current duties - 30 cycles minimum short circuit currents
Perhitungan Arus Hubung Singkat First cycle short circuit current duties : Arus h/s simetris I sc sym = (E pu / Z pu ). I base ~ (E pu / X pu ). I base Arus h/s total (asimetris) maks. I sc tot = I sc sym + I dc = k I sc sym I base k : faktor pengali = 1,6 (ANSI/IEEE C37.010-1979) = 1,55 (ANSI/IEEE C37.41-1981)
Perhitungan Arus Hubung Singkat (lanjutan) Interrupting short circuit current duties Arus h/s simetris = k (E pu / X pu ). I base Arus h/s total = k I sc sym I base k : faktor pengali (fungsi X/R dilihat dari di titik gangguan dan kecepatan CB)
Perhitungan Arus Hubung Singkat (lanjutan) 30 cycles minimum short circuit currents Arus h/s = Arus h/s simetris = (E pu / X pu ). I base