Makalah Seminar Kerja Praktek SISTEM PENGUATAN TANPA SIKAT (BRUSHLESS EXCITATION SYSTEM) PADA GENERATOR PLTU UNIT 3 TAMBAK LOROK SEMARANG 1
Muhammad Imam Fauzi1, Dr.Ir. Joko Windarto, M.T2 Mahasiswa dan 2 Dosen Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia Email:
[email protected]
Abstrak - Pada sistem pengaturan modern, eksitasi memegang peranan penting dalam mengendalikan kestabilan suatu pembangkit karena apabila terjadi fluktuasi beban maka eksitasi sebagai pengendali akan berfungsi mengontrol keluaran generator seperti tegangan, arus dan faktor daya dengan cara mengatur kembali besaran-besaran input guna mencapai titik keseimbangan baru. Bila arus eksitasi naik maka daya reaktif yang disalurkan generator ke sistem akan naik sebaliknya bila turun maka daya reaktif yang disalurkan akan berkurang. Jika arus eksitasi yang diberikan terlalu kecil, aliran daya reaktif akan berbalik dari sistem menuju ke generator sehingga generator menyerap daya reaktif dari sistem. Keadaan ini sangat berbahaya karena akan menyebabkan pemanasan berlebihan pada stator. Sistem eksitasi klasik menggunakan sikat(brush excitation) terbukti menimbulkan berbagai masalah pada efisiensi, rumitnya pemeliharaan dan masalah pengoperasian. Untuk itu dikembangkan sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) sehingga operasi pembangkitan listrik menjadi lebih efisien, handal, dan sederhana. Kata kunci : brushless excitation, generator, fluktuasi beban
I. 1.1
PENDAHULUAN Latar Belakang Proses pembangkitan tenaga listrik yang banyak dilakukan adalah dengan cara memutar generator sinkron sehingga menghasilkan tenaga listrik dengan arus bolak-balik tiga fasa. Untuk menghasilkan tenaga listrik dengan arus bolakbalik yang stabil, diperlukan sebuah teknologi berupa sistem penguatan atau yang lebih sering disebut sebagai sistem eksitasi. Sistem eksitasi ini adalah sebuah teknik penguatan arus medan magnet yang dibangkitkan pada generator dengan menggunakan prinsip elektromagnetis untuk menghasilkan medan magnet penguatan. Tujuan dari sistem eksitasi pada generator adalah untuk mengendalikan output dari generator agar tetap stabil pada beban sistem yang berubah - ubah. Bila rotor berputar akan menimbulkan perpotongan antara kumparan medan dengan stator winding sehingga menghasilkan Gaya Gerak Listrik (GGL). Generator utama PLTU Unit 3 Tambak Lorok Semarang menggunakan sistem eksitasi brushless excitation. Keluaran main exciter akan disearahkan dengan menggunakan rotating rectifier sehingga penggunaan sikat dan slip ring dapat dihilangkan.
1.2
Maksud dan Tujuan Hal – hal yang menjadi tujuan penulisan laporan kerja praktek ini adalah : 1. Mengetahui sistem dan proses pembangkitan energi listrik di PT.Indonesia Power UBP Tambaklorok Semarang. 2. Mengetahui gambaran dan proses sistem penguatan tanpa sikat (brushless excitation) pada generator PLTU Unit 3 PT.Indonesia Power UBP Tambaklorok Semarang. 1.3
Pembatasan Masalah Batasan masalah yang diambil oleh penulis
dibatasi hanya pada masalah pembangkitan, khususnya pada pembahasan tentang Sistem Penguatan tanpa Sikat (Brushless Excitation) pada generator PT.Indonesia Power UBP Tambaklorok Semarang. II. 2.1
GAMBARAN UMUM Sistem Eksitasi Sistem eksitasi adalah sistem mengalirnya pasokan listrik arus searah sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet. Sistem eksitasi pada generator
dalam sistem pembangkitan terdiri dari 2 macam, yaitu: 1. Sistem eksitasi dengan sikat (brush excitation) 2. Sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) 2.1.1 Sistem Eksitasi dengan Sikat Sistem eksitasi ini dapat menggunakan 2 jenis generator untuk eksitasinya. Pertama dengan generator arus searah (DC). Kedua dengan generator arus bolak-balik (AC). Jika menggunakan eksitasi yang berasal dari generator AC kita dapat menggunakan arus keluaran dari Permanent Magnet Generator (PMG) untuk eksitasi stator generator AC tersebut. Untuk mengalirkan arus eksitasi dari main exciter ke rotor generator utama digunakan cincing geser (slip ring) dan sikat arang (carbon brush). Demikian juga penyaluran arus yang berasal dari pilot exciter (PMG) ke main exciter. Sistem eksitasi dengan sikat ini merupakan jenis sistem eksitasi yang konvensional dan kurang modern. Penggunaan sistem ini akan membutuhkan lebih banyak pemeliharaan dan penggantian terhadap beberapa komponen sistem.
Keuntungan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation), antara lain : 1. Energi yang diperlukan untuk eksitasi diperoleh dari poros utama (main shaft), sehingga keandalannya tinggi. 2. Biaya perawatan berkurang karena pada sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) sistem tidak memerlukan sikat, komutator dan slip ring. 3. Pada sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) tidak terjadi kerusakan isolasi karena melekatnya debu karbon pada farnish akibat sikat arang. 4. Mengurangi kerusakan (trouble) akibat udara buruk (bad atmosfere) sebab semua peralatan ditempatkan pada ruang tertutup. 5. Selama operasi tidak diperlukan pengganti sikat, sehingga menngkatkan keandalan operasi dapat berlangsung kontinu pada waktu yang lama. 6. Pemutus medan generator (Generator field breaker), field generator dan bus exciter atau kabel tidak diperlukan lagi. 7. Biaya pondasi berkurang, sebab aluran udara dan bus exciter atau kabel tidak memerlukan pondasi. III.
Gambar 1. Gambaran rangkaian peralatan sistem eksitasi dengan sikat
2.1.2 Sistem eksitasi tanpa sikat Penggunaan sikat dan slip ring mempunyai beberapa kelemahan antara lain karena sikat dapat menimbulkan loncatan api pada putaran tinggi dan hanya mampu mengalirkan arus eksitasi yang relatif kecil. Selain itu, penggunaan sikat menuntut penggantian dan pemeliharaan yang rutin akibatnya membutuhkan biaya lebih besar. Untuk mengatasi keterbatasan pada penggunaan sikat arang, dikembangkan suatu sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation).
Gambaran Sistem Eksitasi pada PLTU Unit 3 Tambak Lorok Sistem eksitasi pada PLTU Unit 3 Tambak Lorok Semarang adalah jenis sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation system). Pada PLTU Unit 3 antara PMG sebagai pilot exciter, generator ac sebagai main exciter dan generator sinkron sebagai main generator dihubungkan dengan satu poros yang sama. Apabila turbin sebagai penggerak mula berputar maka pada kumparan stator PMG akan timbul tegangan akibat dari magnet permanen yang berputar. Tegangan keluaran tersebut selanjutnya disearahkan dan dikontrol pada voltage regulator (pengatur tegangan statis) untuk disalurkan dalam stator AC exciter sebagai exciter utamanya. Tegangan bolak-balik yang dihasilkan pada AC exciter disearahkan dalam rotating rectifier untuk digunakan sebagai penguat (eksitasi) pada rotor main generator (generator utama). Karena sudah ada rotating rectifier maka cincin dan sikat arang sudah tidak diperlukan lagi. Pada gambar berikut dapat kita lihat beberapa bagian dari sistem eksitasi antara lain
pilot exciter berupa Permanent Magnet Generator (PMG). Untuk memperjelas penjelasan di atas, berikut akan disajikan gambaran peralatan pada genenerator di PLTU Unit 3 Tambak Lorok Semarang beserta dengan sistem eksitasi yang ada di dalamnya.
Gambar 2. Gambaran sistem generator beserta sistem eksitasinya
3.1
Fungsi Sistem Eksitasi Sistem eksitasi mempunyai berbagai fungsi. Fungsi tersebut antara lain : a. Mengatur tegangan keluaran generator agar tetap konstan (stabil). b. Mengatur besarnya daya reaktif. c. Mempertinggi kapasitas daya pemuatan (charging capacity) saluran transmisi tanpa beban dengan mengendalikan eksitasi. d. Menekan kenaikan tegangan pada pelepasan beban (load rejection). Karena mempunyai fungsi seperti di atas maka sistem eksitasi harus mempunyai sifat antara lain ; a. Mudah dikendalikan. b. Dapat mengendalikan dengan stabil/ sifat pengendalian stabil. c. Mempunyai respon/tanggapan yang cepat. d. Tegangan yang dikeluarkan harus sama dengan tegangan yang diinginkan. 3.2
Bagian Utama Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (Brushless Excitation) Bagian-bagian dari sistem eksitasi tanpa sikat antara lain : a. Permanent Magnet Generator (PMG) b. AC exciter c. Rotating rectifier d. Automatic Voltage Regulator
a. Permanent Magnet Generator (PMG) Permanent Magnet Generator (PMG) adalah generator sinkron yang sistem eksitasinya menggunakan magnet permanen pada rotornya. Pada sistem eksitasi tanpa sikat digunakan PMG sebagai penyedia daya untuk eksitasi AC exciter/main exciter dan komponen regulator. PMG terdiri dari magnet permanen berputar dan jangkar yang diam dililit untuk output 3 phasa. b. AC exciter AC exciter/ main exciter adalah jenis yang sama dengan generator sinkron konvensional. Rotor AC exciter ditempatkan pada poros yang sama dengan rotating rectifier. AC exciter sendiri mendapatkan eksitasi pada statornya dari PMG setelah disearahkan dalam AVR. Penggunaan main exciter ini bertujuan untuk memperbesar arus eksitasi agar bisa digunakan untuk mengeksitasi generator utama, setelah disearahkan dulu oleh rotating recitifer. c. Rotating rectifier Rotating rectifier terdiri dari silicon diode, fuse, dan resistor. Bagian ini merupakan bagian yang digunakan untuk menyearahkan arus yang akan menuju ke rotor generator utama sebagai arus eksitasi. Berikut akan disajikan struktur fuse.
Gambar 3. Struktur Fuse
d. Automatic Voltage Regulator (AVR) AVR merupakan bagian yang sangat penting dalam pengaturan arus eksitasi generator. Arus keluaran dari PMG disearahkan dan diatur besarnya di AVR. AVR sendiri terdiri dari 3 lemari besar dan berada pada lantai bagian bawah generator pada Unit 3. Masing-masing lemari terdiri dari berbagai peralatan yang sangat penting.
IV.
Analisa Jenis Kegagalan Generator Transformator Generator transformer merupakan generator yang digunakan untuk menerima daya dan menaikkan nilai tegangan dari generator untuk disalurkan ke beban. Pengujian kegagalan meliputi pengujian pada keadaan minyak yang digunakan generator transformer. Metode Pengujian DGA (Dissolved Gas Analysis) DGA secara harfiah dapat diartikan sebagai analisa kondisi transformator yang dilakukan berdasarkan jumlah gas terlarut pada minyak trafo. DGA pada dunia industri dikenal juga sebagai tes darah atau blood test pada transformator. Pengujian zat-zat terlarut (biasanya gas) pada minyak trafo (minyak trafo dianalogikan sebagai darah manusia) akan memberikan informasi-informasi terkait kesehatan dan kualitas kerja transformator secara keseluruhan. Uji DGA dilakukan pada suatu sampel minyak diambil dari unit transformator kemudian gas-gas terlarut (dissolved gas) tersebut diekstrak. Pengujian DGA adalah salah satu langkah perawatan preventif (preventive maintenance) yang wajib dilakukan dengan interval pengujian paling tidak satu kali dalam satu tahun (annually).
2.
3.
4.1
4.
5.
intensitas percikan (spark). Sehingga kode awalnya bukan lagi 0 0 0 melainkan 1 0 1. Gas yang timbul mayoritas dihasilkan oleh proses dekomposisi kertas, sehingga muncul angka 0 pada kode rasio roger. Kondisi kegagalan ini terindikasi dari naiknya konsentrasi fault gas. CH4/H2 normalnya bernilai 1, namun nilai ini tergantung dari berbagai faktor seperti kondisi konservator, selimut N2, temperatur minyak dan kualitas minyak. Naiknya nilai C2H2 (lebih dari nilai yang terdeteksi), pada umumnya menunjukkan adanya hot-spot dengan temperatur lebih dari 7000C, sehingga timbul arching pada transformator. Jika konsentrasi dan rata-rata pembentukan gas asetilen naik, maka transformator harus segera diperbaiki (deenergized). Jika dioperasikan lebih lanjut kondisinya akan sangat berbahaya. Transformator dengan OLTC (On-Load Tap Changer) bisa saja menunjukkan kode 2 0 2 ataupun 1 0 2 tergantung jumlah dari pertukaran minyak antara tangki tapchanger dan tangki utama.
4.2
Analisis Kondisi Transformator Berdasarkan Hasil Pengujian DGA Terdapat beberapa metode untuk melakukan interpretasi data dan analisis seperti yang tercantum pada IEEE std.C57 – 104.1991 dan IEC 60599, yaitu : 1. Standar IEEE 2. Key Gas 3. Roger’s Ratio 4. Duval’s Triangle
Magnitude rasio empat jenis fault gas digunakan untuk menciptakan tiga digit kode. Kode-kode tersebut akan menunjukkan indikasi dari penyebab munculnya fault gas. Beberapa catatan (note) mengenai interpretasi dari tabel rasio roger : 1. Ada kecenderungan rasio C2H2/C2H4 naik dari 0,1 s.d > 3 dan rasio C2H4/C2H6 untuk naik dari 1-3 s.d > 3 karena meningkatnya
Selain rasio pada tabel di atas seringkali digunakan rasio lain seperti rasio CO2/CO. Rasio ini digunakan untuk mendeteksi keterlibatan isolasi kertas pada fenomena kegagalan. Normalnya rasio CO2/CO bernilai sekitar 7. Jika rasio < 3, ada indikasi yang kuat akan adanya kegagalan elektrik sehingga menimbulkan karbonisasi pada kertas (hot-spot atau arcing dengan temperatur >2000C). Jika rasio > 10, mengindikasikan adanya kegagalan thermal pada isolasi kertas pada belitan.
Nilai rasio ini tidaklah selalu akaurat karena nilai CO2 dan CO dipengaruhi oleh berbagai faktor luar seperti oksidasi minyak akibat pemanasan, penuaan isolasi kertas, gas CO2 yang masuk akibat tangki transformator yang bocor atau kurang rapat. Walaupun kurang akurat, rasio CO2/CO sangat membantu identifikasi awal akan adanya kasus degradasi kualitas isolasi kertas. Analisa pada hasil pengujian DGA yang telah dilakukan oleh PT Indonesia Power dengan metode Roger’s Ratio yang telah dijelaskan pada sub-bab sebelumnya. Analisa jenis kegagalan generator transformer akan menggunakan 2 (dua) data hasil pengujian DGA yang dilakukan pada generator transformer pada saat berbeban (onload) dan pada saat tidak berbeban / pada saat dilakukan maintenance (no-load). 4.3
Digit kode 0 0 2 tidak terdapat pada tabel analisis menurut roger’s. Munculnya kode 0 ini diakibatkan oleh gas-gas yang timbul mayoritas dihasilkan oleh proses dekomposisi kertas.. Munculnya permasalahan ini bisa dijadikan pendekatan sesuai dengan tabel analisis roger’s dengan kode 0 0 1 yang mengindikasikan adanya kegagalan thermal < 1500C.
Generator Transformer On-load Pada kondisi generator transformer onload, dilakukan pengambilan sampel minyak pada tanggal 14 Mei 2010, dilakukan pengujian DGA dan didapat:
4.4
Dapat dilihat bahwa warna minyak telah berada di bawah ambang standar yaitu sebesar 4,0, sedangkan dengan mengacu pada standar ASTMD 1500 batas standar warna adalah 3,5. Dan beberapa jenis gas lain yang juga tidak sesuai standar pada kolom berhighlight biru.
Pada nilai perbandingan fault gas C2H2 / C2H4 digunakan pernbandingan 1 / 63,76, padahal nilai C2H2 = 0, hal ini dikarenakan menurut aturan roger’s detection limit untuk gas C2H2 adalah 1 ppm. Sedangkan untuk nilai H2 detection limitnya adalah sebesar 5 ppm.
Generator Transformer No-Load Pada kondisi generator transformer noload, dilakukan pengambilan sampel minyak pada tanggal 3 Juni 2010 saat maintenance didapat :
[4] Pudjanarsa, Astu dan Djati Nursuhud. 2006. Mesin Konversi Energi. Yogyakarta : Penerbit Andi [5] Sulasno, Ir. 2004. Dasar Teknik Konservasi Energi Listrik dan Sistem Pengaturan. Semarang: Badan Penerbit Universitas Diponegoro. [6] http://dunialistrik.blogspot.com/2009/06/sistemeksitasi.html, diakses 15 Juni 2010 BIODATA PENULIS Dari tabel 5.12 dapat diketahui perbandingan fault gas C2H2/C2H4 sebesar 0,015, CH4/H2 sebesar 1,236 dan C2H4/C2H6 sebesar 37,06. Dengan mengacu pada kode range rasio tabel roger’s didapatkan kode 0 2 2. Digit kode 0 2 2 pada tabel analisis roger’s menunjukkan bahwa pada transformator telah terjadi kegagalan thermal >7000C. V. 5.1
PENUTUP Kesimpulan Dari Kerja Praktek yang penulis lakukan di PLTU Unit 3 Tambak Lorok Semarang dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Biaya perawatan sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) relatif lebih rendah daripada sistem dengan sikat karena tidak membutuhkan adanya slip ring, dan sikat. 2. Nilai arus eksitasi harus dijaga agar selalu sesuai dengan arus dasar pada sistem eksitasi sehingga kestabilan sistem secara keseluruhan tetap stabil. 3. Sistem eksitasi yang baik memiliki respon yang cepat ketika terjadi gangguan internal maupun eksternal yang mempengaruhi kinerja generator. 5.2
Saran
1. Untuk menghasilkan tegangan sistem yang stabil, besarnya arus eksitasi harus selalu diperhatikan berkaitan dengan fluktuasi beban yang terjadi. DAFTAR PUSTAKA [1] Marsudi, Djiteng. 2005. Pembangkitan Energi Listrik. Jakarta: Erlangga. [3] Marsudi, Djiteng. 2006. Operasi Sistem Tenaga Listrik. Yogyakarta: Graha Ilmu.
Muhammad Imam Fauzi (L2F007054) lahir di Cilacap, 9 Juni 1989. Telah menempuh pendidikan di TK Puspita Cilacap, kemudian melanjutkan di SDN 1 Tegalreja Cilacap. Lulus kemudian melanjutkan di SLTPN 1 Cilacap. Lulus tahun 2004, lalu melanjutkan di SMAN 1 Cilacap. Saat ini sedang menempuh pendidikan Strata 1 di Universitas Diponegoro Konsentrasi Ketenagaan.
Semarang,
Oktober 2010
Mengetahui Dosen Pembimbing
Dr. Ir. Joko Windarto, MT NIP. 196405261989031002
Mahasiswa Kerja Praktek
Muhammad Imam Fauzi L2F007054
