JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 1

Proteksi Ground Fault Untuk Sistem 11 kV dengan Multiple Bus yang Terhubung Beberapa Generator, Bus Ties, dan PLN, dengan Sistem Grounding yang Berbeda-Beda Luqman Erwansyah, Rony Seto Wibowo, dan Margo Pujiantara Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected]

Abstrak – Makalah ini membahas modifikasi yang diterapkan pada sistem proteksi, dan sistem pentanahan dari sebuah pabrik gas. makalah ini menjelaskan tentang selektifitas proteksi ground fault untuk sistem 11 kV dengan multiple bus yang terhubung dengan beberapa generator, terhubung dengan beberapa bus tie, dan terinkoneksi dengan PLN. Arus ground fault dikurangi untuk membatasi kerusakan peralatan, tetapi sensitifitas, dan selektifitas harus tetap terjaga, oleh sebab itu proteksi ground fault menjadi bagian yang sangat penting pada sistem kelistrikan di industri. Rele Directional ground fault dengan koordinasi pickup setting diterapkan untuk memperoleh sistem proteksi ground fault yang baik. makalah ini juga menambahkan rele diferensial untuk gangguan ketanah yang dipasang pada sisi generator, dengan tujuan untuk mengatasi gangguan internal pada generator. Karena selama ini pada Sistem kelistrikan apabila ada gangguan gangguan ketanah pada internal generator, maka generator tersebut langsung lepas dan terjadi black out. Kata Kunci : Koordinasi Proteksi, Rele Gangguan Ke Tanah, Rele Diferensial Gangguan Ketanah.

cadangan yang akan beroperasi. Untuk memenuhi fungsi tersebut maka waktu rele pengaman utama disetel lebih cepat daripada rele pengaman cadangan. Rele pengaman dengan kemampuan selektif yang baik dibutuhkan untuk mencapai keandalan sistem yang tinggi karena tindakan pengaman yang cepat dan tepat akan dapat mengisolir gangguan dan seminimal mungkin. Dengan koordinasi rele yang baik dan relevan, mengisolir gangguan, keandalan dan kontinuitas supplai daya tetap terjaga optimal. Pembahasan didalam tugas akhir ini adalah bagaimana koordinasi rele ground fault yang tepat pada sistem kelistrikan, dan penambahan rele diferensial untuk mendeteksi arus gangguan ketanah pada internal generator. Penambahan rele diferensial ini sangat diperlukan karena selama ini sisi internal generator-generator pada sistem kelistrikan hanya menggunakan rele diferensial untuk mendeteksi gangguan tiga fasa, apabila ada gangguan satu fasa ketanah selama ini sistem kelistrikan akan black out. II. STUDI KASUS SISTEM KELISTRIKAN A. Rating Tegangan Pada sistem kelistrikan terdapat lima rating tegangan yang digunakan, yaitu : 1.

I. PENDAHULUAN

S

emakin meningkatnya pertumbuhan industri harus diimbangi pula dengan kontinuitas pelayanan listrik kepada pelanggan industri. Kontinuitas pelayanan listrik kepada pelanggan dapat terwujud salah satunya adalah dengan melakukan koordinasi sistem pengaman yang tepat. Salah satu metoda yang dilakukan untuk memperoleh keandalan sistem adalah koordinasi rele pengaman dengan memfungsikan rele sebagai pengaman utama dan pengaman cadangan. Proteksi cadangan ini umumnya mempunyai perlambatan waktu (time delay), hal ini untuk memberikan kesempatan kepada poteksi utama beroperasi terlebih dahulu, dan jika proteksi utama gagal baru proteksi

2.

3. 4.

5.

Tegangan 20 KV. Tegangan 20 KV ini berada pada daerah bus PLN Utility. Tegangan ini yang masuk dari transformator PLN dan menyulang bus BOC-PLN. Tegangan 11 KV. Tegangan ini berada di daerah outgoing dari generator-generator yang ada. Tegangan 6 KV. Tegangan 3,3 KV. Tegangan ini berada di bus 1APD-MCC-1 dan bus 1APD-MCC-2 yang di suplay dari dua buah transformator yang berhubungan parallel, yaitu 1APD-XF-1 dan 1APD-XF-2, yang masingmasing transformator berkapasitas 2 MVA. Tegangan 0.4 KV.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 2 B. Sistem Pembangkit Tenaga Listrik Pada kondisi operasi normalnya, pembangkitan dilayani oleh lima unit generator dan satu utility PLN. rincian pembangkitan pada operasi normal dapat dilihat pada Tabel 2.1. di bawah ini. Tabel 1. Pembangkit Tenaga Listrik No.

Nama Generator

Kapasitas Daya

1

1TGK-CTG-1

9.07 MW

2

1TGK-CTG-2

9.07 MW

3

1TGK-CTG-3

9.07 MW

4

1TGA-STG-1

9 MW

5

1TGA-STG-2

9 MW

6

1TGG-GEG-1

3 MW

7

1TGG-GEG-2

3 MW

8

PLN Utility

4.636 MW

Keterangan 11 kV; 80% pf; 11.338 MVA; 4 pole; Voltage Control 11 kV; 80% pf; 11.338 MVA; 4 pole; Voltage Control 11 kV; 80% pf; 11.338 MVA; 4 pole; Voltage Control 11 kV; 85% pf; 10.588 MVA; 4 pole; Voltage Control 11 kV; 85% pf; 10.588 MVA; 4 pole; Voltage Control 11 kV; 80% pf; 3.75 MVA; 4 pole; Voltage Control 11 kV; 80% pf; 3.75 MVA; 4 pole; Voltage Control 150 kV; 800 MVAsc; Swing

C. Sistem Distribusi Berbagai macam jenis rangkaian dasar tersedia untuk distribusi daya bagi industri, pada umumnya biaya suatu sistem semakin meningkat bersama dengan keandalan sistem apabila didukung dengan kualitas komponen yang tinggi. Tenaga listrik yang di suplai dari lima unit generator dan satu utility PLN akan didistribusikan ke seluruh beban yang ada. Tabel 2. Data Transformator di Sistem Kelistrikan No

Transformator

Primer KV

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1APC-XF-1 1APC-XF-2 1APD-XF-1 1APD-XF-2 1APF-XF-1 100-TF-101 100-TF-201 200-TF-001 300-TF-001 400-TF-001 420-TF-001 420-TF-002 420-TF-0033 TR-PLN

11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 150

Sekunder KV 0.4 0.4 3.37 3.37 20 6 6 6 6 6 0.4 0.4 0.4 20

MVA 2 2 2 2 20 15 15 5 15 15 6.455 6.455 2 60

D. Sistem Pentanahan Peralatan Sistem pentanahan peralatan yang digunakan, baik pada generator, maupun pada transfomator memiliki sistem grounding yang berbeda-beda, dapat dilihat pada Tabel 2.2 berikut ini: Tabel 2.2. Pentanahan Peralatan No

Peralatan

Generator 1 1TGK-CTG-1 Generator 2 1TGK-CTG-2 Generator 3 1TGK-CTG-3 Generator HV 4 1TGA-STG-1 Generator HV 5 1TGA-STG-2 Generator HV 6 1TGG-GEG-1 Generator HV 7 1TGG-GEG-2 Transformator 8 1APC-XF-2 Transformator 9 1APD-XF-1 Transformator 10 1APF-XF-1 Transformator 11 TR-PLN

Rating Tegangan 11 kV 11 kV 11 kV 11 kV 11 kV 11 kV 11 kV 11 kV 11 kV 11 kV 150 kV

Hubungan Belitan

Pentanahan

NGR 100 A (63.5085 Ω) NGR 100 A Bintang (63.5085 Ω) NGR 100 A Bintang (63.5085 Ω) NGR 100 A Bintang (63.5085 Ω) NGR 100 A Bintang (63.5085 Ω) NGR 100 A Bintang (63.5085 Ω) NGR 100 A Bintang (63.5085 Ω) NGR 77 A Delta - Bintang (2.99922 Ω) Bintang

Delta –Bintang NGR 77 A (24.7436 Ω) NGR 12.7 A (500 Bintang –Delta Ω) NGR 100 A Delta –Bintang (115.47 Ω)

Dari tabel 2.2 sistem pentanahan yang digunakan pada pengerjaan tugas akhir ini memiliki sistem pentanahan yang berbeda-beda, sehingga akan berpengaruh pada arus hubung singkat 1Φ ketanah. E. Peralatan Rele Arah Arus Lebih Gangguan Ketanah Rele arah arus lebih Gangguan Ketanah yang akan digunakan untuk mengamankan BUS BOC PLN-2 pada sistem kelistrikan adalah rele dari pabrikan GE Multilin dengan model F60. Rele ini dirancang untuk multi fungsi yaitu untuk mendeteksi gangguan arus lebih, dan gangguan arah. III. HASIL SIMULASI DAN ANALISA A. Pemodelan Sistem Kelistrikan Pada bab ini akan dilakukan simulasi dan analisa dari sistem kelistrikan. Untuk mempermudah analisis yang dilakukan pada tugas akhir ini, perlu dilakukan pemodelan sistem kelistrikan. Data-data yang dibutuhkan untuk melakukan pemodelan sistem kelistrikan ini, antara lain : 1. Generator atau sumber yang terhubung dengan sistem. 2. Transformator 3. Kabel 4. Beban

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 3

Gambar 3.1. Tipikal Setting Rele yang Dibahas yaitu Rele Diferensial, dan Ground Directional Overcurrent Relay studi analisis aliran daya (load flow study) dan studi analisis hubung singkat (short circuit study). Analisis hubung singkat yang dilakukan adalah hubung singkat maksismum 1Φ ke tanah (1/2 cycle). Agar mempermudah dalam melakukan studi koordinasi proteksi, maka diambil beberapa contoh tipikal koordinasi yang dapat mewakili sebagian besar seluruh koordinasi proteksi yang ada pada sistem tersebut.  Tipikal 1 : Setting rele diferensial untuk proteksi gangguan ketanah (87GN) yang dipasang diseluruh generator pada level tegangan 11kV.  Tipikal 2 : Hal ini disebabkan dengan adanya dua supplai arus kontribusi yang berlawanan jika terjadi arus hubung singkat yaitu dari trafo 1APF-XF-1 dengan belitan Y - Δ, dan Generator. Maka diperlukan koordinasi rele arah jika terdapat dua kondisi arah arus yang berlawanan.

Dimana ; 𝑉𝑁 = Tegangan phasa ke netral 𝑍1 = Impedansi urutan positif 𝑍2 = Impedansi urutan negative 𝑍0 = Impedansi urutan nol 𝑍𝑁 = Impedansi gangguan B. Macam-Macam Sistem Grounding Yang Digunakan No 1 2 3 4 5 8

A. Rekomendasi Penambahan Rele Pengaman Pada Sistem Kelistrikan Untuk menunjang system pengaman diperlukan penambahan rele yang berfungsi untuk mendeteksi gangguan ke tanah pada sisi internal dari generator (87GN). Rekomendasi penambahan rele pengaman yang akan digunakan meliputi pemasangan rele diferensial (87GN) pada setiap generator, dan penambahan Ground Directional Overcurrent Relay pada bus yang tehubung dengan utility PLN ke bus yang terhubung ke Generator. 𝐼𝑆𝐶 1𝛷 = 𝑍

3𝑉 𝑁

1 +𝑍2 +𝑍0 +3𝑍 𝑁

[8]

Peralatan Generator 1TGK-CTG-1 Generator 1TGK-CTG-2 Generator 1TGK-CTG-3 Generator HV 1TGA-STG-1 Generator HV 1TGG-GEG-1 Transformator 1APF-XF-1

Rating Tegangan

Hubungan Belitan

11 kV

Bintang

11 kV

Bintang

11 kV

Bintang

11 kV

Bintang

11 kV

Bintang

11 kV

Bintang –Delta

Pentanahan NGR 100 A (63.5085 Ω) NGR 100 A (63.5085 Ω) NGR 100 A (63.5085 Ω) NGR 100 A (63.5085 Ω) NGR 100 A (63.5085 Ω) NGR 12.7 A (500 Ω)

PadaTransformator 1APF-XF-1 menggunakan hubungan belitan Bintang –Delta dengan menggunakan sistem pentanahanNGR 12.7 A (500 Ω) pada sisi primer trafo.

C. Rele Differensial Gangguan Ketanah (87GN) Penambahan rele differensial disini dipasang pada sisi generator, yang bertujuan untuk mendeteksi gangguan internal pada setiap generator apabila terjadi gangguan ketanah. Langkah-langkah untuk setting rele differensial adalah sebagai berikut ;

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 4

P = VA Dimana; P = Daya (VA) I = Arus sekunder CT (A) R = Resistansi (Ω) Tabel 3.2 Resistansi CT Pada Setiap Generator No. 1

Gambar 3.2. Single Line Diagram Rangkaian Rele Diferensial Untuk Gangguan Ketanah Pada Generator [6] Dari skema rangkain rele diferensial diatas, CT yang digunakan adalah Zct, merupakan rele yang berjenis toroid yaitu hanya menggunakan satu CT untuk tiga belitan kabel baik disisi netral maupun fasa. Zct berfungsi untuk mendeteksi gangguan ground fault rele diferensial generator gangguan ketanah merupakan rele utama yang bekerja mengamankan generator dari gangguan didalam generator, dan tidak bekerja saat terjadi gangguan di luar generator. Setting waktu yang digunakan sebesar 1 cycle – 3 cycle [8] Tabel 3.1 Ratio CT Pada Setiap Generator No.

Nama Generator

1

1TGK-CTG-1

2

1TGK-CTG-2

3

1TGK-CTG-3

4

1TGA-STG-1

6

1TGA-STG-2

7

1TGG-GEG-1

1.

Pentanahan NGR (100A) NGR (100A) NGR (100A) NGR (100A) NGR (100A) NGR (100A)

Ratio CT 100:5 100:5 100:5 100:5 100:5 100:5

Kabel Penghubung CT ke Rele Diferensial

2 3 4 6 7

3.

Nama Generator 1TGKCTG-1 1TGKCTG-2 1TGKCTG-3 1TGASTG-1 1TGASTG-2 1TGGGEG-1

Ratio CT 100:5 100:5 100:5 100:5 100:5 100:5

Daya (VA) 3

Arus (A) 5

Resistansi (Ω) 0.12

3

5

0.12

3

5

0.12

3

5

0.12

3

5

0.12

3

5

0.12

Perhitungan Setting Arus Rele Diferensial, dan Prosentase Perlindungan Pada Belitan Stator Generator Pada Perhitungan rele diferensial ini meliputi gradding time setting, arus tap setting, dan kemampuan perlindungan belitan stator. 𝐼𝑆𝑒𝑡𝑡 = ( Σ 𝐼𝑒 + 𝐼𝑅 + 𝐼1 ) N [6] Dimana ; 𝐼𝑒 = Arus Eksitasi dari CT 𝐼𝑅 = Arus di rele diferensial ketika tegangan pick up 𝐼1 = Arus di unit thyrite dari rele diferensial ketika tegangan pick up 𝑁 = Ratio CT Persentase Perlindungan Belitan Stator Generator [ 1 – ( 𝐼𝑆𝑒𝑡𝑡 / 𝐼𝑆𝐶 𝑚𝑎𝑥 1 𝛷 )] x 100%

Penghantar yang menghubungkan CT ke rele diferensial menggunakan standart Sil.021078/SPLN.VDE 0271. Diameter : 4 mm² Resistansi : 4.56 Ω/km Panjang kabel dari rele ke CT = 5 m Maka : 4.56 Resistansi per meter = 1000 = 0.00456 Ω/m Sehingga : RL = 5 x 0.00456 = 0.0228 Ω 2.

Menentukan Resistansi Pada CT Cara menentukan resistansi CT yaitu dengan menggunakan Hukum Kirchof yaitu;

Gambar 3.3. Kurva Karakteristik Eksitasi CT [6]

[6]

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 5

Tabel 3.3 Setting Rele Arus Lebih Gangguan Ke Tanah Time Rele CT Curve Delay (s) Rele 52-2 GE Multilin F60

50/5

Definite

0.7

Rele 15 GE Multilin F60

50/5

Definite

0.7

Rele 16 GE Multilin F60

50/5

Definite

0.7

Rele 17 GE Multilin F60

50/5

Definite

0.7

Rele 18 GE Multilin F60

50/5

Definite

0.7

R_52_16 GE Multilin F60

50/5

Definite

0.7

Rele 13 GE Multilin F60

50/5

Definite

0.1

Gambar 3.4. Kurva Karakteristik Eksitasi CT [6]

Gambar 3.5 Grafik Rele Diferensial Pada Generator D. Perhitungan Rele Arus Lebih Gangguan Ke Tanah ( 5 – 10 )% * 𝐼𝐺𝐹 ≤ 𝐼𝑃𝑃 ≤ 50% * 𝐼𝐺𝐹 𝐼𝑃𝑃 Tap = 𝐶𝑇 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟

Gambar 3.6 Kurva Rele Arus Lebih Gangguan Ketanah

Dari hasil kurva diatas, generator 1TGG-GEG-4 tidak mempunyai sitem pentanahan sehingga ditambahkan rele arus lebih gangguan ke tanah dengan setting waktu lebih cepat dari dari generator-generator yang lain yaitu setting waktu untuk generator 1TGG-GEG-4 adalah 0.1 sekon, sedangkan untuk generator lainnya 0.7 sekon , sehingga jika

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 6 ada arus hubung singkat generator tidak terkena arus kontribusi hubung singkat atau dapat trip lebih dahulu.

2.

E. Setting Ground Directional Overcurrent Relay

3.

4.

Gambar 3.7 Tipikal Koordinasi Ground Directional Overcurrent Relay Secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa rele arah diperlukan pada sistem kelistrikan. Hal ini disebabkan dengan adanya dua supplai arus kontribusi yang berlawanan jika terjadi arus hubung singkat yaitu dari trafo 1APF-XF-1 dengan belitan Y - Δ, dan Generator. Maka diperlukan koordinasi rele arah jika terdapat dua kondisi arah arus yang berlawanan. ( 5 – 10 )% * 𝐼𝐺𝐹 ≤ 𝐼𝑃𝑃 ≤ 50% * 𝐼𝐺𝐹 𝐼𝑃𝑃 Tap = 𝐶𝑇 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟 = Rele arah yang digunakan adalah rele dengan kode ANSI 67- Directional overcurrent, mempunyai karakteristik yang dapat disetting dengan dua cara yaitu; setting dengan arus meninggalkan trafo 1APF-XF-1 dan arus yang menuju trafo yang akan dilindungi. Untuk setting arus meninggalkan trafo menggunakan setting dari trafo 1APFXF-1, sedangkan untuk setting arus menuju trafo menggunakan setting dari generator. Tabel 4.2 Ringkasan Setting Rele Arah Setting Arus Nama CT Menuju Trafo Rele Td T 𝐼𝑆𝑒𝑡𝑡 (A) (50N) (67N) Rele 19 50/5 0.06 0.7s 0.1s

1.

Setting Arus Meninggalkan Trafo Td 𝐼𝑆𝑒𝑡𝑡 (50N) (A) 0.06A 0.7s

KESIMPULAN Pengaman pada generator dalam kondisi existing hanya menggunakan rele pengaman diferensial untuk gangguan fasa, apabila ada gangguan ke tanah direkomendasikan dengan penambahan rele diferensial untuk gangguan ketanah (87 GN).

5.

Setting waktu rele diferensial harus lebih cepat dari setting waktu rele-rele yang lain, ha lini dikarenakan fungsi dari rele diferensial tersebut hanya bekerja ketika ada gangguan internal satu fasa ketanah pada generator. Setting waktu yang digunakan sebesar 0.05 sekon. Generator 1TGG-GEG-4 tidak mempunyai sistem grounding, sehingga generator tersebut tidak memerlukan pengaman diferensial gangguaan ketanah, dan cukup diberi rele ground overcurrent dengan time delay 0.1 s, sehingga rele tersebut disetting lebih cepat daripada rele ground overcurrent yang dipasang di generator yang lainnya. Secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa rele arah diperlukan pada sistem kelistrikan. Hal ini disebabkan dengan adanya dua supplai arus kontribusi yang berlawanan jika terjadi arus hubung singkat yaitu dari trafo 1APF-XF-1 dengan belitan Y - Δ, dan Generator. Maka diperlukan koordinasi rele arah jika terdapat dua kondisi arah arus yang berlawanan. Dengan penambahan rele arah pada sisi perimer trafo maka dapat menentukan arah arus gangguan hubung singkat, baik dari sisi generator atau trafo 1APF-XF-1. UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember yang telah menfasilitasi penulisan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] SPLN 52-3 : 1983, ”Pola Pengaman Sistem Bagian Tiga, Sistem Distribusi 6 kV dan 20 kV”, Perusahaan UmumListrik Negara, Jakarta, Pasal 4, 1983 [2] Penangsang, Ontoseno,“DiktatKuliah Analisis Sistem Tenaga Jilid 2”, TeknikElektro ITS, Surabaya, Bab 1, 2006 [3] Sleva, Anthony F., “Protective Relay Principles”, CRC Press, USA, Ch. 5, 2009 [4] Hewitson, L.G. (et al), “Practical Power Systems Protection”, Elsevier Ltd., USA, Ch.1, 2004 [5] ALSTOM, “Network Protection & Automation Guide”, Levallois-Perret, France, Ch. 2, 2003 [6] IEEE Standard C37.101-2006, “Guide For Generator Protection” New York, USA, 2006 [7] Murata Power Solutions, Inc, “MPM. DMS-CT.A01”, Mansfield, USA, 2008 [8] IEEE Standard 242-2001, “IEEE Recommendation Practice for Protect And Coordination of Industrian and Commercial power Systems”, New York, USA, 2001