Pemodelan dan Analisis Fault Current Limiter Sebagai Pembatas Arus Hubung Singkat Pada GI Sengkaling Malang

9 Pemodelan dan Analisis Fault Current Limiter Sebagai Pembatas Arus Hubung Singkat Pada GI Sengkaling Malang Eko Kuncoro, Hadi Suyono, Rini Nur Hasanah dan Hazlie Mokhlis Abstrak Meningkatnya kebutuhan akan energi listrik, menuntut peningkatan unjuk kerja pengoperasian Gardu Induk dan peralatan-peralatannya, seiring dengan bertambahnya gangguan yang akan terjadi khususnya gangguan hubung singkat. Beberapa peralatan untuk menangani arus gangguan hubung singkat diantaranya adalah reaktor air-core, fuse dan circuit breaker. Peralatan proteksi yang digunakan hanya dapat merespon dua atau tiga siklus dari arus gangguan hubung singkat sebelum peralatan aktif. Diperlukan suatu peralatan yang dapat merespon arus gangguan kurang dari dua siklus awal. Fault current limiter (FCL) dapat membatasi arus gangguan hubung singkat yang melewati saluran dalam setengah siklus awal. FCL, baik menggunakan superkonduktor atau tidak, pada dasarnya berupa peralatan variabel impedansi yang hubungkan seri dengan circuit breaker untuk membatasi arus gangguan hubung singkat pada Gardu Induk. Penggunaan Fault Current Limiter (FCL) pada sistem distribusi GI Sengkaling Malang dapat menurunkan arus gangguan pada setengah siklus pertama untuk gangguan satu fasa ke tanah (L-G) dari 15,84 ka menjadi 5,95 ka (penurunan 62,44 ), untuk gangguan fasa ke fasa (L-L) dari 10,84 ka menjadi 4,26 ka (penurunan 60,70 ), untuk gangguan dua fasa ke tanah (L-L-G) dari 14,84 ka menjadi 5,72 ka (penurunan 61,46 ), dan untuk gangguan tiga fasa ke tanah (L-L-L-G) dari 14,36 ka menjadi 5,55 ka (penurunan 61,35 ). Kata kunci Fault Current Limiter, gangguan hubung singkat. T I. PENDAHULUAN ERJADINYA gangguan (fault) dalam operasi sistem tenaga listrik tidak dapat dihindarkan (Schmitt, 2006). Gangguan dalam sistem transmisi dan distribusi tenaga listrik antara lain disebabkan oleh sambaran petir pada saluran transmisi, pohon tumbang atau adanya hubung singkat antar fase ke tanah. Gangguan akan menimbulkan suatu lonjakan arus pada Eko Kuncoro, Mahasiswa Program Magister Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Brawijaya, Malang, Indonesia (e-mail: ekokuncoro68@gmail.com). Hadi Suyono, Dosen Teknik Elektro, Universitas Brawijaya, Malang, Indonesia (Telp. 0341-554166; e-mail: hadis@ub.ac.id). Rini Nur Nurhasanah, Dosen Teknik Elektro, Universitas Brawijaya, Malang, Indonesia (Telp. 0341-554166; e-mail: rini.hasanah@ub.ac.id). Hazlie Mokhlis, Associate Professor, Departement of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Universiti of Malaya, 50603 Kuala Lumpur, Malaysia (Telp. +603-79675238; e-mail: hazli@um.ed.my). sistem tenaga listrik dan dapat menyebabkan kerusakan serius pada peralatan jaringan [1] dan luasnya daerah pemadaman total. Lonjakan arus akibat gangguan dikenal sebagai arus gangguan (fault current) [2].. Arus gangguan (fault current) adalah arus peralihan (transient) yang mengalir dalam sistem tenaga listrik ketika hubung singkat terjadi. Sebagian besar arus gangguan terjadi pada sistem transmisi 3-fasa dengan satu dari tiga fasa terhubung singkat [3]. Ketika hubung singkat terjadi pada sistem tenaga listrik, arus gangguan besarnya lebih dari 10 kali lipat arus beban [4]. Gardu Induk (GI) Sengkaling Malang merupakan bagian dari sistem distribusi yang berada di wilayah PT. PLN (Persero) APP Malang. GI Sengkaling memiliki 2 buah trafo daya, yaitu : Trafo III UNINDO 150/20 kv dengan kapasitas 30 MVA dan Trafo IV SHANDONG 150/20 kv dengan kapasitas 60 MVA. Pemakaian energi listrik pada GI Sengkaling cenderung meningkat setiap tahunnya. Hal ini disebabkan oleh pesatnya pembangunan di wilayah Kota Malang, Kabupaten Malang dan Kota Batu. Dengan semakin meningkatnya kebutuhan akan energi listrik, maka dapat dipastikan bahwa pengoperasian gardu induk dan peralatan-peralatannya akan terus bertambah seiring dengan bertambahnya gangguan yang akan terjadi khususnya gangguan hubung singkat. Beberapa peralatan telah digunakan untuk menangani arus gangguan hubung singkat diantaranya reaktor air-core, fuse dan circuit breaker [3]. Diperlukan suatu peralatan yang mampu membatasi arus gangguan hubung singkat kurang dari dua siklus awal. Fault current limiter (FCL) dapat membatasi arus gangguan hubung singkat yang melewati saluran dalam setengah siklus awal [5]. Tujuan penelitian ini adalah untuk merencanakan pemodelan FCL yang sesuai dengan standar pemutusan arus pada jaringan sistem distribusi dan menentukan performansi dari sistem distribusi pada saat terjadi gangguan dengan spesifikasi FCL. Pemodelan dan analisis penggunaan FCL sebagai pembatas arus gangguan hubung singkat pada jaringan sistem distribusi GI Sengkaling Malang dengan menggunakan program simulasi PSCAD 4.2.0. II. TINJAUAN PUSTAKA Berdasarkan ANSI/IEEE Std. 100-1992 gangguan didefinisikan sebagai suatu kondisi fisis yang disebabkan kegagalan suatu perangkat, komponen, atau suatu elemen untuk bekerja sesuai dengan fungsinya. Gangguan hampir selalu ditimbulkan oleh hubung

10 singkat antar fasa atau hubung singkat fasa ke tanah. Suatu gangguan hampir selalu berupa hubung langsung atau melalui impedansi. Istilah gangguan identik dengan hubung singkat, sesuai standart ANSI/IEEE Std. 100-1992. Analisis gangguan hubung singkat diperlukan untuk mempelajari sistem tenaga listrik baik waktu perencanaan maupun setelah beroperasi. Analisis hubung singkat digunakan untuk menentukan setting relai proteksi yang digunakan untuk melindungi sistem tersebut dari kemungkinan adanya gangguan tersebut. Sebelum melakukan analisis gangguan hubung singkat, maka terlebih dahulu dilakukan perhitungan gangguan hubung singkat yaitu untuk menghitung arus maksimum gangguan, dan tegangan pada lokasi yang berbeda dari sistem tenaga untuk jenis gangguan yang berbeda. Fault current limiter (FCL), baik menggunakan superkonduktor atau tidak, pada dasarnya berupa peralatan variabel impedansi yang hubungkan seri dengan circuit breaker untuk membatasi arus gangguan hubung singkat pada gardu induk [3]. Dalam sistem tenaga listrik, FCL dapat diintegrasikan baik pada jaringan tegangan tinggi (high voltage) maupun tegangan menengah (medium voltage). Fungsi FCL adalah untuk membatasi level arus gangguan yang muncul ke suatu level yang dapat diatasi tanpa adanya pengaruh yang signifikan pada sistem distribusi. Sebuah FCL harus memiliki impedansi tinggi pada kondisi gangguan hubung singkat [6]. Model rangkaian sederhana sistem tenaga listrik ditunjukkan pada Gambar 1. Rangkaian terdiri dari tegangan sumber, impedansi internal, beban dan impedansi gangguan [7]. Typical karakteristik bentuk gelombang arus gangguan dijelaskan pada Technical Brochure No. 339 oleh CIGRE WG A3.16 seperti ditunjukkan pada Gambar 2. III. METODELOGI PENELITIAN Penelitian ini diawali dengan studi kasus, kemudian dilanjutkan dengan pengumpulan data referensi dan data lapangan. Data referensi berupa pustaka yang relevan dengan studi kasus penelitian, sedangkan data lapangan berupa single line diagram, data transformator, data beban, dan data arus hubung singkat. Data lapangan dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan program simulasi PSCAD 4.2.0. Selanjutnya dilakukan analisis aliran daya untuk mengetahui magnitude tegangan dan arus pada masing-masing Bus. Pada pemodelan single line diagram sistem distribusi GI Sengkaling, disimulasikan adanya gangguan hubung singkat sesuai data gangguan. Selanjutnya dilakukan analisis gangguan sebelum pemasangan FCL. Pada Bus- Bus yang mengalami gangguan ditempatkan model komponen FCL dan disimulasikan. Setelah pemasangan FCL pada Bus-Bus yang mengalami gangguan, dilakukan analisis gangguan sesudah pemasangan FCL.. IV. PEMODELAN FCL DAN GI SENGKALING Diagram skematik model FCL dengan PSCAD 4.2.0 ditunjukkan pada Gambar 3. FCL Gambar 3. Diagram skematik FCL Gambar 1. Model rangkaian sederhana tanpa FCL dan dengan FCL [7] Model FCL yang digunakan adalah rangkaian FCL solidstate tipe resonan [9]. Pemilihan model FCL karena rangkaian FCL ini tidak memerlukan tuning komponen L dan C. Impedansi FCL adalah 20 (0,2 pu) sesuai dengan IEC 60289 tentang FCL Reactors. Parameter pemodelan FCL dan GI Sengkaling untuk sistem sebelum gangguan dan sistem dengan gangguan pada Bus 2 dan Bus 3 ditunjukkan pada TabelI. TABEL I PARAMETER SIMULASI Gambar 2. Bentuk gelombang arus gangguan [8] Sistem Sebelum Gangguan Sistem dengan Gangguan Pada Bus 2 Sistem dengan Gangguan Pada Bus 3 Infinite 150V. L-L RMS - - Bus 50Hz Arus - 2529,44 MVA 2529,44 MVA Hubung Singkat Sumber - 150V L-L RMS 50Hz Z S = 8,895 Ω 150V L-L RMS 50Hz Z S = 8,895 Ω Data FCL - Z FCL = 20 = 2,67 C = 10 µf L = 0,00858 H Z FCL = 20 = 1,34 C = 10 µf L = 0,00429 H

11 Rangkaian FCL untuk fasa A, fasa B, dan fasa C ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4. Rangkaian FCL pada fasa A, fasa B dan fasa C Thyristor Switching Circuits untuk masing-masing rangkaian FCL [10] ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 6. Pemodelan single line diagram GI Sengkaling sistem sebelum gangguan, sistem dengan gangguan pada Bus 2 dan Bus 3 dan sistem dengan FCL V. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Simulasi Arus Gangguan Bus 2 (20 kv) Bentuk gelombang arus gangguan pada Bus 2 tanpa FCL dan dengan FCL untuk hubung singkat satu fasa ke tanah (L-G), fasa ke fasa (L-L), dua fasa ke tanah (L-L-G), dan tiga fasa ke tanah (L-L-L-G) ditunjukkan pada Gambar 7., Gambar 8., Gambar 9., dan Gambar 10.. Gambar 5. Thyristor Switching Circuits Simulasi single line GI Sengkaling dengan PSCAD 4.2.0 dilakukan dengan beberapa skenario. Skenario simulasi yang akan diujikan : a. Sistem dengan gangguan pada Bus 2 (20 kv) dan FCL. b. Sistem dengan gangguan pada Bus 3 (20 kv) dan FCL. Gambar 7. Bentuk gelombang arus gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah (L-G) pada Bus 2, Pemodelan single line diagram GI Sengkaling sistem sebelum gangguan, sistem dengan gangguan pada Bus 2 dan Bus 3 dan sistem dengan FCL ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 8. Bentuk gelombang arus gangguan hubung singkat fasa ke fasa (L-L) pada Bus 2,

12 B. Hasil Simulasi Arus Gangguan Bus 3 (20 kv) Bentuk gelombang arus gangguan pada Bus 3 tanpa FCL dan dengan FCL untuk hubung singkat satu fasa ke tanah (L-G), fasa ke fasa (L-L), dua fasa ke tanah (L-L-G), dan tiga fasa ke tanah (L-L-L-G) ditunjukkan pada Gambar 11., Gambar 12., Gambar 13., dan Gambar 14.. Gambar 9. Bentuk gelombang arus gangguan hubung singkat dua fasa ke tanah (L-L-G) pada Bus 2, Gambar 11. Bentuk gelombang arus gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah (L-G) pada Bus 3,. Gambar 10. Bentuk gelombang arus gangguan hubung singkat tiga fasa ke tanah (L-L-L-G) pada Bus 2, Hasil simulasi pada Gambar 7., Gambar 8., Gambar 9., dan Gambar 10. menunjukkan arus gangguan pada Bus 2 dengan FCL mengalami penurunan pada setengah siklus awal dan pada steady state seperti ditunjukkan pada TabelIII dan TabelIV. TABELII ARUS GANGGUAN BUS 2 TANPA FCL DAN DENGAN FCL PADA SETENGAH SIKLUS AWAL Gambar 12. Bentuk gelombang arus gangguan hubung singkat fasa ke fasa (L-L) pada Bus 3,. TIPE L-G 15,84 5,95 9,89 62,44 L-L 10,84 4,26 6,58 60,70 L-L-G 14,84 5,72 9,12 61,46 L-L-L-G 14,36 5,55 8,81 61,35 TABELIII ARUS GANGGUAN BUS 2 TANPA FCL DAN DENGAN FCL PADA STEADY STATE Gambar 13. Bentuk gelombang arus gangguan hubung singkat dua fasa ke tanah (L-L-G) pada Bus 3, TIPE L-G 11,56 4,39 7,17 62,02 L-L 9.44 3,43 6,01 63,67 L-L-G 11,89 4,15 7,74 65,10 L-L-L-G 10,86 4,09 6,77 62,34 Gambar 14. Bentuk gelombang arus gangguan hubung singkat tiga fasa ke tanah (L-L-L-G) pada Bus 3,.

13 Hasil simulasi pada Gambar 11., Gambar 12., Gambar 13., dan Gambar 14. menunjukkan arus gangguan pada Bus 3 dengan FCL mengalami penurunan pada setengah siklus awal dan pada steady state seperti ditunjukkan pada TabelIV dan TabelV.. TABELIV ARUS GANGGUAN BUS 3 TANPA FCL DAN DENGAN FCL PADA SETENGAH SIKLUS AWAL TIPE TABELV ARUS GANGGUAN BUS 3 TANPA FCL DAN DENGAN FCL PADA STEADY STATE TIPE VI. KESIMPULAN L-G 28,42 11,83 16,59 58,37 L-L 19,71 8,43 11,28 57,23 L-L-G 26,31 11,27 15,04 57,16 L-L-L-G 25,62 11,08 14,54 56,75 L-G 22,59 8,79 13,80 61,09 L-L 19,71 6,94 12,77 64,79 L-L-G 23,95 7,94 16,01 66,85 L-L-L-G 20,72 7,98 12,74 61,49 Berdasarkan hasil Pemodelan dan Analisis Fault Current Limiter Sebagai Pembatas Arus Hubung Singkat Pada GI Sengkaling Malang, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Model FCL yang digunakan dalam penelitian ini adalah rangkaian FCL solidstate tipe resonan yang diperkenalkan oleh Karady pada tahun 1992. Pemilihan model FCL karena rangkaian FCL ini tidak memerlukan tuning komponen L dan C untuk Z = 0 pada saat steady state. Spesifikasi model FCL: a. Z FCL = 20 = 0,2 pu. b. FCL pada Bus 2, Z FCL = 2,67 Ω, C = 10 µf dan L = 0,00858 H b. FCL pada Bus 3, Z FCL = 1,34 Ω, C = 10 µf dan L = 0,00429 H 2. Penggunaan FCL pada sisi terima (incoming) Bus 2 sistem distribusi GI Sengkaling Malang dapat menurunkan arus gangguan pada setengah siklus pertama untuk gangguan satu fasa ke tanah (L-G) dari 15,84 ka menjadi 5,95 ka (penurunan 62,44 ), untuk gangguan fasa ke fasa (L-L) dari 10,84 ka menjadi 4,26 ka (penurunan 60,70 ), untuk gangguan dua fasa ke tanah (L-L-G) dari 14,84 ka menjadi 5,72 ka (penurunan 61,46 ), dan untuk gangguan tiga fasa ke tanah (L-L-L-G) dari 14,36 ka menjadi 5,55 ka (penurunan 61,35 ). 3. Penggunaan FCL pada sisi terima (incoming) Bus 3 sistem distribusi GI Sengkaling Malang dapat menurunkan arus gangguan pada setengah siklus pertama untuk gangguan satu fasa ke tanah (L-G) dari 28,42 ka menjadi 11,83 ka (penurunan 58,37 ), untuk gangguan fasa ke fasa (L-L) dari 19,71 ka menjadi 8,43 ka (penurunan 57,23 ), untuk gangguan dua fasa ke tanah (L-L-G) dari 26,31 ka menjadi 11,27 ka (penurunan 57,16 ), dan untuk gangguan tiga fasa ke tanah (L-L-L-G) dari 25,62 ka menjadi 11,08 ka (penurunan 56,75 ). UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Professor Dr. Hazlie Bin Mokhlis, Associate Professor, Departement of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Universiti of Malaya, 50603 Kuala Lumpur, Malaysia yang telah membantu dalam mempublikasikan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Kovalsky, L., Yuan, X., Tekletsadik, K., Keri, A., Bock, J. and Breuer. F. 2004. Applications of Superconducting Fault Current Limiters in Electric Power transmission Systems, IEEE Transactions. [2] Xin, Y., Gong, W., Niu, X., Cao, Z., Xi, H., Zhang, J., Wang, Y., Tian, B. and Hou, B. 2006. Development of Superconducting Fault Current Limiters. IEEE Transactions. [3] Giese, R.F. 1995. Fault Current Limiters - A Second Look, Argonne National Laboratory. [4] Matsuzaki, J. 1996. Current Limiting Characteristics with 6.6kV/2kA Superconducting Fault Limiter, IEE of Japan Static Electricity Equipment Research SA-96. Meeting, Vol. 58-1, pp. 95 98. [5] Schmitt, H. 2006. Fault Current Limiters Report on the Activities of Cigre WG A3.16, IEEE Transactions. [6] Leung, E., Rodriguez, A. and Albert, G. 1996. Superconducting Fault Current Limiter for Utility Applications, in Proc. American Power Conf., 58 th Annual Limiter, IEEE Transactions on Applied Superconductivity. [7] Rowley, A.T. 1995. Superconducting Fault Current Limiters, The Institution of Electrical Engineers. [8] CIGRE WG A3.16. 2008. Technical Brochure No. 339: Guideline on the Impacts of Fault Current Limiting Devices on Protection Systems, Tokyo. [9] Karady, G.G. 1992. Principles of Fault Current Limitation by a Resonant LC Circuit, Generation, Transmission and Distribution, IEEE Proceedings C, Vol. 139, pp. 1-6. [10] Anaya-Lara, O. and Acha, E. 2002. Modeling and Analysis of Custom Power Systems by PSCAD/EMTDC, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 17, No. 1.