Analisa Stabilitas Transien dan Koordinasi Proteksi pada PT. Linde Indonesia Gresik Akibat Penambahan Beban Kompresor 4 x 300 kW Nama : Frandy Istiadi NRP : 2209 106 089
Pembimbing : 1. Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT. 2. Dr. Dedet Candra Riawan, ST. M.Eng
Sidang Tugas Akhir (Genap 2011-2012) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
PENDAHULUAN
LATAR BELAKANG • Dalam upaya melayani kegiatan operasionalnya, PT. Linde Indonesia Gresik akan mengoperasikan 4 unit kompresor baru, yang antara lain adalah kompresor GC-1A, GC-1B, GC-1C sebesar 350 kW, dan kompresor BC sebesar 240 kW.
• Dengan adanya penambahan 4 unit kompresor baru ini, maka pada Tugas Akhir ini akan dilakukan analisa stabilitas transien dan analisa koordinasi proteksi.
TUJUAN • Memodelkan, mensimulasikan, dan menganalisis sistem kelistrikan PT. Linde Indonesia Gresik.
• Melaksanakan studi mengenai kestabilan transien pada sistem kelistrikan PT. Linde Indonesia Gresik agar mendapatkan rekomendasi yang diperlukan, yang selanjutnya dapat digunakan untuk melakukan perancangan skema pelepasan beban sehingga dicapai kestabilan yang layak • Dengan menganalisa kurva kerja dari rele-rele pengaman 4 unit kompresor baru, diharapkan PT. Linde Indonesia Gresik mendapatkan setting dan koordinasi rele yang tepat untuk rele-rele pengaman kompresor barunya.
PERMASALAHAN • Bagaimana kestabilan transien pada PT. Linde Indonesia Gresik, setelah adanya penambahan 4 unit kompresor baru, dan jika terjadi gangguan berupa lepasnya pembangkit, lepasnya utility PLN, atau lepasnya kedua sumber daya tersebut ataupun jika terjadi hubung singkat.
• Bagaimana setting dan koordinasi proteksi yang tepat untuk rele-rele pengaman 4 unit kompresor baru, baik setting untuk rele arus lebih, maupun setting untuk rele gangguan ke tanahnya.
BATASAN MASALAH • Analisa stabilitas transien dilakukan untuk mengetahui pengaruh dan respon kestabilan pada sistem, setelah adanya penambahan 4 unit kompresor baru.
• Sedangkan untuk analisa koordinasi proteksi hanya dilakukan untuk pengaturan rele arus lebih (overcurrent relay) dan rele gangguan ke tanah (ground fault / ground overcurrent relay) pada masing-masing rele pengaman kompresor baru tersebut.
TEORI PENUNJANG
Analisa Stabilitas Transient • Stabilitas sistem tenaga listrik didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu sistem tenaga listrik yang di dalamnya terdapat dua atau lebih motor sinkron, dalam mempertahankan kesinkronan dan operasi normalnya terhadap berbagai macam gangguan[1].
Analisa Stabilitas Transient • Ketika sistem terkena gangguan yang dapat meyebabkan daya yang tersedia tidak dapat mencukupi kebutuhan beban, maka untuk menghindari sistem mengalami keadaan collapsed dibutuhkan pelepasan beban.
Analisa Stabilitas Transient
Skema Pelepasan Beban Tiga Langkah standar ANSI/IEEE C37.106-1987
Analisa Koordinasi Proteksi • Rele arus lebih adalah rele yang beroperasi atau mendeteksi adanya gangguan ketika arus yang mengalir melebihi batas yang diijinkan [7]. • Berdasarkan karakteristik kurvanya, rele arus lebih dapat digolongkan menjadi rele arus lebih waktu terbalik (inverse time overcurrent relay), rele arus lebih waktu tertentu (definite overcurrent relay), rele arus lebih waktu seketika (instantaneous overcurrent relay).
Analisa Koordinasi Proteksi Rele Arus Lebih Perlindungan Motor
• Pada umumnya perlindungan motor-motor listrik dilakukan untuk menghindarkan motor dari bahaya kerusakan yang mungkin terjadi. Perlindungan untuk motor diusahakan agar tidak bekerja pada saat motor starting dimana arus starting bisa 6 sampai 8 kali arus nominal[11].
SIMULASI DAN ANALISA
Capacitor Bank 1500 kVAR
4 Unit Kompresor Baru
Single Line Diagram Sistem Kelistrikan PT. Linde Indonesia Gresik
Analisa Stabilitas Transient STUDI KASUS yang akan dilakukan, antara lain: • TR_XF-1_OFF Terjadi suatu gangguan internal pada transformator 1APD-XF-1, yang mengakibatkan CB incoming dan outgoing transformator tersebut terbuka. Kasus ini terjadi saat PLN dan semua pembangkit”ON” dan semua beban ”ON”. • PLN_Gen_STG2_OFF PLN OFF dan generator 1TGA-STG-2 trip saat semua pembangkit yang lain ”ON” dan semua beban ”ON”. • HS_1APD-MCC-1 : Terjadi gangguan hubung singkat 3 fasa pada bus 1APD-MCC-1 saat PLN dan semua generator ”ON”
Kasus TR_XF-1_OFF (A) Utility PLN dan semua generator “ON” CB 52-1 dan CB 1APD-52-1 “Open” (t = 5 s)
Pada sistem kelistrikkan PT. Linde Indonesia Gresik terdapat dua unit transformator yang bekerja secara parallel antara lain adalah 1APD-XF-1 dan 1APD-XF-2. Pada kasus ini, disimulasikan terjadi suatu gangguan internal pada salah satu transformator parallel tersebut, yaitu 1APD-XF-1, sehingga mengakibatkan pengaman internal dari transformator tersebut mengirimkan sinyal yang mengharuskan CB 52-1 dan CB 1APD-52-1 membuka.
Kasus TR_XF-1_OFF (A) 26.740
Dapat dilihat bahwa ketika terjadi pembukaan pada CB 52-1 dan CB 1APD-52-1, generator 1TGK-CTG-1 dan 1TGK-CTG-2 sudut rotornya mengalami penurunan, generator 1TGK-CTG-1 menjadi turun menjadi 26.740, dan generator 1TGK-CTG-2 turun menjadi 26.660.
26.660
100 %
100 %
Lepasnya transformator 1APD-XF1 dari sistem, tidak mempengaruhi frekuensi, setelah terjadi pembukaan CB 52-1 dan CB 1APD-52-1 pada waktu 5 sekon, frekuensi dapat mencapai kondisi stabil lagi dalam waktu 9.981 sekon dengan presentasi 100%, atau sama dengan 50 Hz.
Kasus TR_XF-1_OFF (A) 98.78%
respon tegangan baik pada bus 11 kV BUS-1 ataupun bus 1APD-MCC-1 tegangannya masih diatas standard PLN yaitu + 5% sampai – 10%.
90.69 %
Namun untuk bus 1APD-MCC-1, tegangannya turun mencapai 90.69%, hal ini dapat dikatakan berada di daerah marginal, dan harus diperbaiki.
3.591 MVA
Transformator ini harus menanggung seluruh beban yang ada pada bus 1APD-MCC-1. Pembebanannya mencapai 3.591 MVA.
Karena kemampuan maksimal dari transformator ini hanya mencapai 2.4 MVA. Maka dapat dikatakan bahwa transformator ini telah mengalami overload.
Kasus TR_XF-1_OFF (B) Utility PLN dan semua generator “ON” CB 52-1 dan CB 1APD-52-1 “Open” (t = 5 s) Load Shedding 1 (t = 5.2 s)
Pada kasus ini, untuk mengamankan transformator 1APD-XF-2 dari overload, maka dilakukan load shedding. Menurut rekomendasi dari PT. Linde Indonesia Gresik, beban yang boleh dilepas pada bus 1APD-MCC-1 hanya dua kompresor baru, yaitu GC-1A dan BC. Load shedding dilakukan dengan cara membuka CB dengan kecepatan 10 cycle atau 0.2 sekon setelah terjadi gangguan.
Kasus TR_XF-1_OFF (B) 98.79 %
92.09 %
2.907 MVA
Respon tegangan baik pada bus 11 kV BUS-1 ataupun bus 1APD-MCC-1 masih diatas standard PLN yaitu + 5% sampai – 10%. Untuk bus 1APD-MCC-1, dengan dilakukannya load shedding 1 ini, tegangannya naik dari 90.69% menjadi 92.09%, Namun dalam hal ini masih tetap berada di daerah marginal, sehingga masih perlu diperbaiki lagi. Pembebanan pada transformator 1APD-XF-2 dapat turun, dari 3.591 MVA menjadi 2.907 MVA. Namun masih mengalami overload, mengingat kemampuan maksimal dari transformator ini hanya mencapai 2.4 MVA. Oleh karena itu, masih perlu dilakukan penanganan lagi yaitu dengan cara pemasangan capasitor bank pada bus 1APDMCC-1.
Kasus TR_XF-1_OFF (C)
Utility PLN dan semua generator “ON” CB 52-1 dan CB 1APD-52-1 “Open” (t = 5 s) Load Shedding 1 (t = 5.2 s) Capacitor Bank “ON” (t = 5.2 s) Q = P (tan cos -1
Lama - tan cos -1 Baru)
= 2256 (tan cos -1 0.776 – tan cos -1 0.99) = 2256 (0.812 – 0.142) = 1512.21 kVAR
Kasus TR_XF-1_OFF (C) 98.79 %
Terlihat terjadi kenaikan tegangan pada bus 1APD-MCC-1 Setelah dilakukan pemasangan capasitor bank, naik kembali menjadi 97.22% atau setara dengan 3.208 kV. Naiknya tegangan hingga diatas 95% ini sudah cukup menjadikan sistem aman dengan level tegangan diatas marginalnya.
97.22%
2.26 MVA
Capasitor bank mensuplai daya reaktif bus 1APD-MCC-1 sebesar 1500 kvar, sehingga pembebanan pada transformator 1APD-XF-2 bisa turun, dari 2.907 MVA menjadi 2.26 MVA, atau 113% dari ratingnya. Pembebanan ini sudah di bawah batas maksimalnya yaitu 2.4 MVA. Dengan meningkatkan sirkulasi dan pendingin udara pada transformator tersebut, maka pembebanan ini sudah cukup menjadikan sistem aman dari overload.
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(A)
Capacitor bank “ON” di bus 1APD-MCC-1 Semua generator lainnya “ON” Utility PLN dan Generator 1TGA-STG-2 “delete” (t = 5 s) Generator 1TGK-CTG-1 “Ref. Machine” (t = 5 s )
“ Ref. Machine ”
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(A) Sudut rotor yang mengalami penurunan ini diakibatkan karena sistem kehilangan daya pembangkitan sebesar 13.079 MW atau sebesar 30.6% dari total pembangkitan, sedangkan besarnya beban tetap,
00
0.750
87.73%
Sehingga menyebabkan perlambatan putaran rotor pada generatorgenerator tersebut dan menjadikan sudut rotor menurun.
Baik pada bus 11 kV BUS-1 maupun bus 1APD-MCC-1 respon frekuensinya turun mencapai 87.73%. Dengan nilai ini, respon frekuensi dikatakan belum aman.
87.73%
Sehingga diperlukan perbaikan respon frekuensi pada studi kasus selanjutnya.
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(A) 99.02 %
97.71% Untuk respon tegangan pada bus 1APD-MCC-1, mengalami osilasi turun mencapai 88.46%, naik mencapai 104.64% dan mencapai 97.71% pada saat kondisi stabil. Menurut standar tegangan SEMI F47-0706 penurunan tegangan mencapai 80%, hanya diijinkan berlangsung selama 1 sekon. Pada kasus ini, penurunan tegangan saat osilasi, masih dalam kondisi yang diijinkan, karena hanya berlangsung selama 0.2 sekon.
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(B)
Capacitor bank “ON” di bus 1APD-MCC-1 Semua generator lainnya “ON” Utility PLN dan Generator 1TGA-STG-2 “delete” (t = 5 s) Generator 1TGK-CTG-1 “Ref. Machine” (t = 5 s ) Load Shedding 1 (t = 5.241 s)
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(B) 00
0.610
92.46%
Respon sudut rotor (power angle) dari generator 1TGK-CTG-1 turun mencapai 0 derajat, hal ini dikarenakan sudut rotor generator ini telah dijadikan referensi.
Sedangkan pada generator 1TGK-CTG2, sudut rotornya turun mendekati sudut referensinya yaitu mencapai kondisi stabil di 0.61 derajat.
Baik pada bus 11 kV BUS-1 maupun bus 1APD-MCC-1 respon frekuensinya naik dari 87.73% menjadi 92.46%. Namun dengan kenaikan ini, respon frekuensi masih belum bisa dikatakan aman.
92.46%
Sehingga masih diperlukan perbaikan respon frekuensi pada studi kasus selanjutnya.
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(B) 100 %
98.31% Respon tegangan pada bus 1APD-MCC-1, mengalami osilasi turun mencapai 88.46%, naik mencapai 103.15%, dan mencapai 98.31% pada saat kondisi stabil. Osilasi yang terjadi pada bus 1APD-MCC-1 ini masih memenuhi standart SEMI F47-0706 dan standart tegangan PLN, dan dengan kondisi stabil di atas batas marginalnya, maka dapat dikatakan respon tegangan pada bus 1APD-MCC-1 sudah cukup menjadikan sistem aman.
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(C)
Capacitor bank “ON” di bus 1APD-MCC-1 Semua generator lainnya “ON” Utility PLN dan Generator 1TGA-STG-2 “delete” (t = 5 s) Generator 1TGK-CTG-1 “Ref. Machine” (t = 5 s ) Load Shedding 1 (t = 5.241 s) Load Shedding 2 (t = 5.301 s)
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(C) 00
0.470
99.77%
Respon sudut rotor (power angle) dari generator 1TGK-CTG-1 turun mencapai 0 derajat, hal ini dikarenakan sudut rotor generator ini telah dijadikan referensi. Dan sudut rotor dari generator 1TGKCTG-2, turun mendekati sudut referensinya yaitu pada 0.01 derajat, kemudian naik dan mencapai kondisi stabil di 0.47 derajat. Respon frekuensi pada bus 11 kV BUS1 dan pada bus 1APD-MCC-1 naik dari 92.46% menjadi 99.77% pada kondisi stabil.
Dengan kenaikan ini, maka respon frekuensi sudah bisa dikatakan aman.
99.77%
Kasus PLN_Gen_STG2_OFF(C) 99.13 %
98.39%
Respon tegangan pada bus 1APD-MCC-1, mengalami osilasi turun mencapai 88.46%, naik mencapai 104.34%, dan mencapai 98.39% pada saat kondisi stabil.
Osilasi yang terjadi pada bus 1APD-MCC-1 ini masih memenuhi standart SEMI F47-0706 dan dengan kondisi stabil di atas standart PLN, maka dapat dikatakan respon tegangan pada bus 1APD-MCC-1 sudah cukup menjadikan sistem aman.
Kasus HS_1APD-MCC-1
Capacitor bank “ON” di bus 1APD-MCC-1 Utility PLN dan semua generator “ON” HS 3 fasa pada bus 1APD-MCC-1 (t = 5 s) CB 52-1 dan CB 52-12 “Open” (t = 5.5 s)
Kasus HS_1APD-MCC-1 27.660
27.660
100 %
Sebelum terjadi gangguan sudut rotor dari kedua generator ini berada pada 26.4 derajat, Namun saat terjadi hubung singkat pada waktu 5 sekon, sudut rotornya mengalami osilasi turun mencapai 23.7 derajat, naik mencapai 28.59 derajat, dan mencapai 27.66 derajat pada saat kondisi stabil.
Frekuensi di bus sinkron 11 kV BUS-1 mengalami osilasi, naik mencapi 100.06% , turun sampai 99.95% dan kemudian akan stabil pada 100% atau setara dengan 50 Hz.
Kasus HS_1APD-MCC-1 99.74%
83.47%
Respon tegangan pada bus sinkron 11 kV BUS-1 mengalami osilasi turun sampai 83.47%, naik mencapai 110.23%, dan kemudian akan stabil pada 99.74% dalam waktu 22.48 sekon. Menurut standar tegangan SEMI F47-0706 penurunan tegangan mencapai 80%, hanya diijinkan berlangsung selama 1 sekon. Pada kasus ini, penurunan tegangan saat osilasi, masih dalam kondisi yang diijinkan, karena hanya berlangsung selama 0.46 sekon.
Analisa Pengaturan Rele Arus Lebih R_CB28 (Tipikal 1) • Pada tipikal ini terdapat 3 unit rele yang digunakan sebagai pengaman rele arus lebih. • Rele R_CB28 berfungsi mengamankan gas kompresor baru GC-1C yang berkapasitas 350 kW, • Sedangkan rele R_52-1 dan rele R_52-12 merupakan rele eksisting yang berfungsi untuk mengamankan jalur yang menghubungkan bus 11 kV BUS-1 dan bus 11 kV BUS-3 dengan bus 1APD-MCC-1.
Analisa Pengaturan Rele Arus Lebih R_CB28 (Tipikal 1) Data Setting Eksisting Rele Arus Lebih pada Tipikal 1
Perhitungan Setting Rele Arus Lebih R_CB28 (Tipikal 1) Jenis Rele Kurva FLA Motor GC-1C CT Istarting Motor GC-1C
= GE Multilin 239 = Curve 3 = 77.08 A = 100/5 = FLA × LRC(%) × Toleransi = 77.08 x 6.5 x 1.3 = 651.32 A
Current setting IDMT ( I> ) 1,15 x FLA Motor GC-1C 1,15 x 77.08 A 88.642 A Dipilih Ipp = 88.642
≤ Ipp ≤ 0,8 x Iscmin-30cycle-Bus14 ≤ Ipp ≤ 0,8 x 7915 A ≤ Ipp ≤ 6332 A
A
Trip = Ipp / NCT= 88.642 / (100/5 )= 4.432
Time Setting IDMT ( Time Dial ) Type Kurva
= Curve
3
Current setting High Set (I>>) Istarting Motor GC-1C FLA Motor GC-1C × LRC(%) × Toleransi 77.08 × 6.5 × 1.3 651.32 A Dipilih Iset =
≤ ≤ ≤ ≤
Iset Iset Iset Iset
651.3 A
Trip = Iset / NCT = 651.3 / (100/5) = 32.565
Setting waktu (t>>) = 0.1
s
≤ ≤ ≤ ≤
0,8 x Iscmin-30cycleBus14 0,8 x 7915 A 0,8 x 7915 A 6332 A
Kurva Setting Rele Arus Lebih R_CB28 dan Setting Eksisting rele R_52-1 dan rele R_52-12
Analisa Pengaturan Rele Gangguan ke Tanah Rele R_CB28 dan Rele R_CB32 (Tipikal 2) • Terdapat 4 unit rele yang digunakan sebagai pengaman rele arus lebih gangguan ke tanah. • Rele R_CB28 dan rele R_CB32 disini berfungsi sebagai pengaman kompresor baru terhadap gangguan hubung singkat fasa ke tanah. • Sedangkan rele 1APD-52-1 dan rele 1APD-52-2 merupakan rele eksisting yang berfungsi untuk mengamankan jalur yang menghubungkan transformator 1APD-XF-1 dan transformator 1APDXF-2 dengan bus 1APD-MCC-1.
Analisa Pengaturan Rele Gangguan ke Tanah Rele R_CB28 dan Rele R_CB32 (Tipikal 2) Data Setting Eksisting Rele Gangguan ke Tanah pada Tipikal 2
Perhitungan Setting Rele Gangguan ke Tanah Untuk R_CB28 dan R_CB32 Jenis Rele = GE Multilin 239 Kurva = Definite CT = 50/5 IGF (Arus gangguan ke tanah) = 77 A (5 -10)% × IGF 10% × 77 A 7.7 A Dipilih Ipp = 15
≤ Ipp ≤ Ipp ≤ Ipp
≤ 50% × IGF ≤ 50% × 77 A ≤ 38.5 A
A
15/NCT = 15 / (50/5) = 1.5 Tap
= (1.5 / CT sec) 100% = 30%
Time delay = 0.1
s (+ 0.045 s)
Kurva Setting Rele Gangguan ke Tanah R_CB28 dan R_CB32 dengan setting eksisting R 1APD-52-1 dan R1APD-52-2
KESIMPULAN •
Dengan adanya penambahan 4 unit kompresor baru. Karena menurut rekomendasi dari PT. Linde Indonesia Gresik, beban yang boleh dilepas pada bus 1APD-MCC-1 hanya dua unit kompresor baru, maka jika terjadi suatu gangguan internal pada transformator 1APD-XF-1, yang mengakibatkan CB incoming dan outgoing transformator tersebut terbuka, akan mengakibatkan pembebanan pada transformator 1APDXF-2 mengalami overload. Oleh karena itu diperlukan pemasangan capasitor bank sebesar 1500 kVAR, dengan tujuan agar arus yang mengalir pada transformator tersebut bisa turun, sehingga pembebanannya turun dan tidak mengalami overload.
•
Lepasnya utility PLN dan generator 1TGA-STG-2 dari sistem, menyebabkan respon frekuensi, baik pada bus 11 kV BUS-1 maupun bus 1APD-MCC-1 turun mencapai 87.73%. Sehingga untuk mengembalikan respon frekuensi ke batas aman, dibutuhkan dua tahap load shedding, dengan total sebesar 25% dari jumlah beban, dalam hal ini sebesar 10.653 MW.
KESIMPULAN •
Dari pengaturan rele arus lebih untuk rele R_CB28 yang beroperasi sebagai rele utama dengan rele R_52-1 dan rele R_52-12 yang beroperasi sebagai rele back-up, mempunyai time difference sebesar 0,3 sekon. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa tidak terdapat kesalahan koordinasi antara setting rele-rele pengaman 4 unit kompresor baru tersebut dengan setting eksisting rele R_52-1 dan rele R_52-12, sehingga tidak perlu dilakukan resetting pada rele-rele eksistingnya.
•
Pada pengaturan rele gangguan ke tanah, antara rele R_CB28 dan R_CB32, dengan setting eksisting rele 1APD-52-1 dan rele 1APD-52-2 mempunyai time difference sebesar 0,255 sekon, maka dapat disimpulkan bahwa tidak terdapat kesalahan koordinasi pada pengaturan rele-rele tersebut, sehingga dapat dikatakan bahwa pengaturan rele gangguan ke tanah untuk rele R_CB28 dan R_CB32 sudah benar, dan tidak perlu dilakukan resetting pada rele-rele eksisting.
Sekian & Terima Kasih
239 MOTOR PROTECTION RELAY – INSTRUCTION MANUAL Manual P/N: 1601-0067-DC (GEK-106613C)
239 MOTOR PROTECTION RELAY – INSTRUCTION MANUAL Manual P/N: 1601-0067-DC (GEK-106613C)
SEMI F47-0706 (Latest SEMI F47 Version)
(Standard PLN) : 500 kV 150 kV 70 kV 20 kV
+5%, -5% +5%, -10% +5%, -10% +5%, -10%
Standard IEEE 242-1986 Waktu Terbuka Circuit Beaker Overtravel dari Rele Faktor Keamanan
: 0,04 – 0,1 det (2-5 Cycle) : 0,1 det : 0,12 – 0,22 det
Untuk Rele Static dan Rele Digital Berbasis Microprosesor Overtravel Time dari Rele Dapat Diabaikan. Sehingga total waktu
=0,2 -0,4 det
[10] Wahyudi R, ”Diktat Kuliah Sistem Pengaman Tenaga Listrik”, Teknik Elektro-ITS,Surabaya, 2008.
Phase Timed Overload Curves
239 MOTOR PROTECTION RELAY – INSTRUCTION MANUAL Manual P/N: 1601-0067-DC (GEK-106613C)
Phase Overload Trip Times (Seconds)
