33
BAB IV PERHITUNGAN ARUS GANGGUAN HUBUNG SINGKAT FASA TUNGGAL KE TANAH TERHADAP GENERATOR YANG TITIK NETRALNYA DI BUMIKAN DENGAN TAHANAN TINGGI PADA PLTU MUARA KARANG 4.1. UMUM Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Muara Karang berlokasi di teluk Jakarta, tepatnya di wilayah Kelurahan Pluit, Kecamatan Penjaringan, Jakarta Utara. Kapasitas total daya yang terpasang pada PLTU Muara Karang adalah sebesar 700 MW, yang terdiri atas 5 unit pembangkit yaitu: a. Unit 1 = 100 MW, mulai beroperasi pada tanggal 20 januari 1979. b. Unit 2 = 100 MW, mulai beroperasi pada tanggal 28 januari 1979. c. Unit 3 = 100 MW, mulai beroperasi pada tanggal 28 juni 1979. d. Unit 4 = 200 MW, mulai beroperasi pada tanggal 26 november 1981. e. Unit 5 = 200 MW, mulai beroperasi pada tanggal 7 juni 1982. Enargi listrik yang dihasilkan PLTU Muara Karang ini disalurkan melalui kabel udara 150 kV ke gardu induk Budi Kemulyaan yang diteruskan untuk pemakaian di Istana Presiden dan sekitarnya. Tempat penting lain yang mendapat aliran dari PLTU Muara Karang adalah Bandara Soekarno-Hatta, gedung DPR dan sekitarnya. Metode pembumian netral yang diterapkan pada kelima generator tersebut adalah metode pembumian netral dengan tahanan tinggi. Dari awal pengoperasiannya sampai sekarang, belum pernah tercatat adanya gangguan pada generator, gangguan-gangguan yang pernah terjadi umumnya pada sisi tegangan tinggi dan pernah terjadi pada penghubung generator (bus duct). Akan tetapi kemungkinan terjadi gangguan pada sisi generator tetap saja ada. Oleh karena itu keandalan pada sistem pembumian dan sistem proteksi lainya, yang melindungi generator dari gangguan yang terjadi harus tetap dijaga.
33
34 Hal ini didasarkan pada tujuan pokok pembumian netral generator yaitu: a. Membatasi kerusakan yang disebabkan oleh arus gangguan fasa tunggal ke tanah. b. Membatasi tegangan lebih transien yang timbul pada saat terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah. c. Melengkapi generator dengan relai yang sensitif terhadap gangguan fasa tunggal ke tanah. Adapun daerah proteksi dari sistem pembumian netral generator adalah meliputi daerah di sepanjang kumparan generator, daerah sepanjang saluran penghubung, yang menghubungkan generator dengan transfomator tenaga dan daerah di sekitar kumparan primer transformator.
4.2. DATA PERALATAN GENERATOR-TRAFO UNIT 4 PLTU MUARA KARANG. Berikut adalah data dari sistem generator unit 4 PLTU Muara Karang yang di peroleh dari PT. PJB. Sektor Muara Karang: a. Diagram satu garis sistem generator-trafo unit 4 PLTU Muara Karang, diberikan pada gambar 4.1.
Gambar 4.1. Diagram satu garis sistem generator-trafo unit 4 PLTU Muara Karang
35 b. Data generator, transformator daya, transformator pemakaian sendiri, bus bar dan saluran, potensial transformator, kapasitor surja, transformator pembumian netral generator, tahanan netral pembumian, relai pembumian. Diberikan pada tabel 4.1 sampai 4.9. Tabel 4.1. Data generator. No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Parameter Pabrik Pembuat Tegangan Kapasitas Arus Beban Putaran Factor Daya Frekuensi Kapasitas Ke Tanah Per Fasa Kelas Isolasi Rotor Kelas Isolasi Stator
Keterangan Mitsubishi Electric Crop 18 kV 250 MVA 8019 Amp 3000 rpm 0.8 50 Hz 0,23 F B B
Table 4.2. Transformator daya. No
1 2 3 4
Parameter Pabrik Pembuatan Daya Pengenal Konstanta Belitan Trafo Impedansi
Keterangan Takaoka Electric mfg.co. 268,8 MVA 17,5 kV / 150 kV 6.3 % pada daya dasar 144,6 MVA
5 Kapasitansi Ke Tanah Per Fasa Tes Tegangan Implus • Sisi tegangan tinggi 6 • Netral
0,2611 F 650 kV 150 kV
• Sisi tegangan rendah
125 kV
Tabel 4.3. Transformator pemakaian sendiri No
1 2 3 4
Parameter Pabrik Pembuatan kVA Nominal Konstanta Belitan transformator Kapasitansi Ke Tanah Per Fasa
Keterangan Takaoka Electric mfg.co. 10,7 MVA 18 kV / 4,36 kV 0,07010 F
36
5
• Belitan primer transformator Tes Tegangan Implus • Sisi tegangan tinggi • Netral • Sisi tegangan rendah
125 kV 75 kV 75 kV
Tabel 4.4. Bus bar dan saluran No
1 2 3 4
Parameter Pabrik Pembuatan Kapasitansi ke tanah per fasa Tegangan Tes tegangan implus
Keterangan Melco 0,03420 F 18 kV, 3 fasa, 50 Hz 110 kV
Table 4.5. Potensial ransformator No
1 2 3 4 5
Parameter Pabrik Pembuatan Tipe Tegangan Tes tegangan implus Kapasitansi ke tanah per fasa
Keterangan Melco EV-2 18 kV/120 V 125 kV 0,00429 F
Tabel 4.6. Kapasitor surja No
1 2 3 4 5
Parameter Pabrik Pembuatan Tegangan Tes tegangan Kapasitansi ke tanah per fasa Frekuensi
Keterangan Melco 18 kV 125 kV 25 F 50 Hz
Tabel 4.7. Transformator pembumian netral generator No
1 2 3
Parameter Pabrik Pembuatan Konstanta belitan transfor kVA nominal
Keterangan Mitsubishi 18 kV / 240-120 V 100 kVA
37 Tabel 4.8. Tahanan netral pembumian No
1 2 3
Parameter Pabrik Pembuatan Impedansi tahanan netral Tegangan nominal
Keterangan Mitsubishi 401 Amp 240 Volt
Tabel 4.9. Relai pembumian
Parameter
No
1 2 3 4 5
Keterangan Relay tegangan lebih Mitsubishi CV-8 5,5 Volt 11
Jenis Pabrik pembuat Tipe Posisi sadapan Time dial
4.3. ANALISA GANGGUAN FASA TUNGGAL KE TANAH Seperti telah diuraikan pada bab sebelumnya, besar arus gangguan fasa tunggal ke tanah maksimum yang diijinkan pada sistem generator yang dibumikan dengan tahanan tinggi adalah sebesar 10 Amper. Selama batas maksimum tersebut tidak dilewati, kerusakan yang terjadi pada titik gangguan masih dapat diatasi. Berikut ini akan dihitung besarnya arus gangguan fasa tunggal ke tanah yang mungkin terjadi pada sistem generator-trafo unit 4 PLTU Muara Karang.
4.3.1. Kapasitansi Total Per Fasa (C) Besar kapasitansi ke tanah dari sistem generator-trafo unit 4 PLTU Muara Karang adalah sebesar (diambil dari data pada tabel 4.1 sampai tabel 4.9): Belitan generator
= 0,23
F
Trafo daya
= 0,0264
F
Trafo pemakaian sendiri = 0,00701
F
Potensial trafo
F
= 0,000429
38 Kapasitor surja
= 0,25
F
Saluran penghubung
= 0,00342
F +
Kapasitansi Total (C tot ) = 0,516969 F
4.3.2. Arus Gangguan Fasa Tunggal Ke Tanah Arus gangguan fasa tunggal ke tanah akan mencapai maksimum, apabila gangguan terjadi pada terminal generator. Untuk sistem generator-trafo yang dibumikan dengan tahanan tinggi, besarnya arus gangguan fasa tunggal ke tanah dapat dihitung dengan persamaan (3.5) sebagai berikut: Dari data yang ada, besarnya tegangan E ph tahanan R N dapat dihtung sebagai berikut: a. Besar tegangan fasa ke fasa generator adalah sebesar 18 KV, maka tegangan fasa ke netral adalah: E ph =
18.000 3
= 10392,30485 Volt
b. Dengan persamaan reaktansi kapasitif X c = −
1 , dan mensubtitusikan total kapasitansi Jω.C
ke tanah per fasa (C) pada frekuensi 50 Hz, secara matematis persamaan di atas dapat dinyatakan[2].
10 6 X c = −J 2π . f .C 10 6 X c = −J 2π .(50)(0,516969) = 6157,2335 ∠ − 90 Ω / Fasa c. Besar tahanan pembumian (R) pada sisi sekunder trafo untuk pembumian dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
R=
10 6 6π . f .N 2 .C
39
=
10 6
(
6π .50. 18.000
) .0,516969 2
240
= 0,365 Ω d. Maka, besarnya impedansi tahanan pembumian ekivalen (R N ) , antara titik netral generator dengan tanah adalah sebesar:
RN = R
E tp
2
E ts
R N = 0,365
18.000 240
2
= 2053,125 Ω
e. Sedangkan besarnya impedansi tahanan pembumian (R) yang dipasang pada sekunder trafo distribusi pada unit 4 PLTU Muara Karang adalah 0,364 transformator pembumiannya adalah
18 kV
240V
dan konstanta belitan
, maka besarnya impedansi tahanan
pembumian ekivalen (R N ) , antara titik netral generator dengan tahanan sebesar: RN = R
E tp
2
Ets
18.000 R N = 0,364 240
2
= 2047,5 Ω
f. Maka besarnya arus gangguan fasa tunggal ke tanah maksimum adalah sebesar:
3 × 18.000
3E ph
I f = − J 3R N X co 3R N − JX co
=
3 × 18.000 =
= − J 37820806,77 6142,5 − J 6157,2335
3 − J 3 × 2047,5 × 6157,2335 3 × 2047,5 − J 6157,2335 3 × 18.000 37820806,77 ∠ − 90 0 8697,231204 ∠ − 45 0
40
=
3 × 18000 4348,603122 ∠ − 45 0
I f = 7,1694 A Arus sebesar 7,1694 A tersebut dapat berupa laminasi alur generator, jika terjadi dalam waktu yang lama. Oleh karena itu apabila terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah semacam ini pengoperasian generator harus dihentikan agar tidak terjadi kerusakan yang total pada sistem. Untuk sistem yang titik netral generatornya tidak dibumikan, perhitungan gangguan fasa tunggal ke tanah dapat diasumsikan seperti dapat dilihat pada gambar 4.2.
Gambar 4.2. Asumsi gangguan fasa tunggal ke tanah pada sistem mengambang.
4.3.3. Menentukan Belitan Yang Dilindungi Dan Tidak Terlindungi Terhadap gangguan Fasa Tunggal Ke Tanah. Untuk menentukan bagian yang dilindungi dan tidak terlindungi pada saat terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah pada generator, maka diperlukan besarnya tahanan untuk pembumian R = 0,364
dari data trafo pembumian dan I set dari relai sebesar 0,2 – 2 A yang terpasang pada
trafo pembumian dengan rasio 18.000
240 V
.
41 Untuk mengetahui besarnya setelan arus kerja minimum atau maksimum primer (I op ) adalah untuk I set = 0,2 A maka dihitung setelan arus kerja minimum dengan persamaan berikut ini: I op min =
V primer V sekunder
× I set
=
18000 3.240
× 0,2 = 8,66 A
Untuk I set = 2 A maka dihitung setelan arus kerja maksimum sebesar: I op maks =
V primer Vsekunder
× I set
=
18.000 3.240
× 2 = 86,6 A
Dari hasil peritungan di atas, bagian belitan yang tidak terlindungi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3.13). Jadi dengan I op min = 8,66 A maka bagian belitan yang tidak terlindungi dan belitan yang dilindungi adalah: % dari belitan yang tidak terlindungi =
8,66 × 0,364 × 100 0 0 = 0,03 0 0 18.000 3
Jadi % dari belitan terlindungi
= (100 % - 0,03 %)
= 99,97 %
Untuk setelan arus kerja maksimum I op maks = 86,6 A, maka bagian yang tidak terlindungi dan belitan yang dilindungi adalah: % dari belitan yang tidak terlindungi =
86,6 × 0,364 × 100 0 0 = 0,3 0 0 18.000 3
Jadi % dari belitan yang terlindungi
= ( 100% - 0,3 % )
= 99,7 %
42
4.4. TINJAUAN TERHADAP KERJA RELAI TEGANGAN LEBIH TIPE CV-8 PADA SAAT TERJADI GANGGUAN FASA TUNGGAL KE TANAH Dari hasil perhitungan terhadap arus gangguan fasa tunggal ke tanah di atas, maka berikut ini akan dilihat kecepatan kerja relai pembumian yang digunakan pada saat terjadi gangguan. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, relai yang digunakan untuk perlindungan terhadap gangguan fasa tunggal ke tanah pada PLTU Muara Karang adalah relai tegangan lebih (over voltage) tipe CV-8 yang terhubung pada sistem pembumian netral seperti dapat dilihat pada gambar 4.3.
18KV 3
Keterangan: V = Relay tegangan lebih tipe CV-8, yang terhubung pada sadapan 120 V R = Tahanan pembumian yang digunakan G = Generator T = Transformator pembumian (trafo tipe distribusi)
Gambar 4.3. Diagram rangkaian sistem pembumian netral dengan tahanan tinggi pada sistem generator-trafo untuk unit 4 PLTU Muara Karang. Dari data pada tabel, dapat diketahui bahwa posisi sadapan relai terletak pada posisi 5,5 V dan posisi pengatur kecepatan kerja relai (Dial setting) pada posisi 11, sedangkan belitan konstanta transformator pembumiannya adalah sebesar 18.000 tegangan setting relai ( E set ) adalah sebesar:
E sett = 5,5 ×
18.000 = 825 V 120
120 V
, maka besarnya
43 Apabila beda tegangan antara titik netral generator dengan tanah lebih besar dari tegangan setting relai ( E sett ), maka relai tegangan lebih tipe CV-8 akan bekerja. Arus resistif yang mengalir pada titik netral generator pada saat terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah adalah sebesar:
Ir =
E ph RN
18.000
=
3.2047,5
= 5,076 A
Arus I r tersebut akan menyebabkan pergeseran tegangan titik netral generator ( E N ) sebesar:
E N = I r × R N = 5,076 × 2047,5 = 10393,11 Volt Dengan demikian nilai kVA trafo distribusi pada saat terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah adalah: 5,076 =
18.000 3
= 52,75 kVA
Karena relai pembumiannya terhubung pada sadapan 120 V, maka tegangan yang dirasakan relai ( V NR ) adalah sebesar: V NR = 10393,11
120 = 69,2874 V 18.000
Karakteristik tegangan terhadap waktu dari relai tegangan lebih (over voltage relay) tipe CV-8 untuk sadapan 5,5 volt dan dial setting 11 dapat dilihat pada gambar 4.4. Karakteristik kurva relai ini merupakan standar yang ditetapkan dari pabrik pembuatannya.
44
Keterangan: T = Waktu ( detik ) V = Tegangan per unit terhadap nilai sadapan = Tegangan yang dirasakan oleh relai 5,5 Volt
Ds = Pengaturan kecepatan kerja relay (Dial setting )
Gambar 4.4. Karakteristik waktu kerja relai tegangan lebih tipe CV-8 pada posisi sadapan 5,5 Volt Dari hasil perhitungan di atas, yaitu tegangan yang dirasakan relai ( V NR ) saat terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah adalah sebesar 69,2874 V, maka tegangan per unit terhadap nilai sadapan (V) adalah: V =
69,2874 = 12,598 p.u 5,5
Dari gambar 4.4 tentang kerakteristik kecepatan kerja relai dapat dilihat bahwa, jika posisi pengatur kecepatan kerja relai terletak pada posisi 11 dan tegangan per unit (V) sebesar 12,598 p.u, maka akan menyebabkan relai pembumian berkerja dengan memperlambat waktu selama 4 detik. Dengan menghubungkan sistem pembumian ke sistem penghentian operator generator, maka lamanya arus gangguan fasa tunggal ke tanah sebesar 7,1694 A tersebut dapat diatasi
45 kurang dari satu menit. Dengan demikian jika terjadi arus gangguan di dalam kumparan generator tidak akan menyebabkan kerusakan laminasi alur generator.
4.5 TEGANGAN LEBIH TRANSIEN YANG TIMBUL PADA SAAT TERJADI GANGGUAN FASA TUNGGAL KE TANAH Salah satu tujuan pembumian titik netral suatu sistem generator-trafo adalah untuk membatasi tegangan lebih transien yang timbul pada saat terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah. Jika terjadi gangguan fasa tunggal ke tanah pada sistem yang dibumikan dengan tahanan tinggi, maka akan menyebabkan terjadinya pergeseran tegangan antara fasa yang tidak terganggu dengan tanah. Semakin besar impedansi tahanan pembumian yang digunakan, maka akan semakin besar juga kenaikan tegangannya. Beda tegangan antara fasa yang tidak terganggu dengan tanah tersebut akan bertambah besar dengan adanya busur listrik yang timbul pada titik gangguan akan padam dan menyala secara bergantian secara periodik, sehingga menimbulkan tegangan lebih transien. Jika tegangan transien ini terlalu besar, maka dapat merusak isolasi fasa yang tidak terganggu dan akan membentuk gangguan fasa dua ke tanah dengan arus gangguan yang lebih besar. Untuk menghindari tegangan lebih transien yang terlalu besar, maka nilai tahanan pembumian yang digunakan pada sistem generator-trafo tidak boleh terlalu besar. Sesuai standar IEEE std. 142-1972, besarnya tahanan pembumian yang digunakan tidak boleh lebih besar dari satu per tiga kali reaktansi kapasitif ke tanah per fasanya R N ≤
X C0 . 3
Berdasakan pada standar tersebut, maka akan ditinjau apakah relai pembumian dengan menggunakan tahanan tinggi yang digunakan pada sistem generator-trafo unit 4 PLTU Muara Karang memenuhi standar IEEE tersebut atau tidak. Dari hasil perhitungan sebelumnya, diketahui bahwa besarnya tahanan impedansi ( R N ) yang digunakan adalah 2047,5 sebesar 6157,2335
, sehingga:
. Sedangkan reaktansi kapasitif ke tanah per fasa ( X C 0 )
46 X C 0 6157,2335 = = 2052,411 Ω 3 3 R N = 2047,5 Ω Maka; R N ≤
X C0 3
Ini berarti sistem pembumian dengan tahanan tinggi yang diterapakan pada sistem generator-trafo unit 4 PLTU Muara Karang telah memenuhi standar IEEE std. 142-1972.
