Studi Koordinasi Proteksi Sistem Pembangkit UP GRESIK (PLTG dan PLTU) Rifgy Said Bamatraf; Margo Pujiantara, Dedet Chandra Riawan Jurusan Teknik Elektro FTI ITS PLTU 2 × 100 MW dibangun pada tahun 1981 sedangkan PLTU 2 × 200 𝑀𝑀𝑀𝑀 dibangun pada tahun 1987. Jadi umur pembangkit PLTG #1 dan #2 yaitu 35 tahun sedangkan PLTU #1 dan #2 berumur 30 tahun dan #3 dan #4 berumur 24 tahun. Sejak dibangun sampai saat ini sistem proteksi listrik pembangkit PLTU dan PLTG belum pernah di studi ulang apakah kelayakannya masih terjamin, dengan usia yang sudah lebih dari 20 tahun serta pertumbuhan pembangkit disekitarnya maka evaluasi terhadap sistem proteksi di PLTU dan PLTG mutlak diperlukan untuk menjamin keandalan dari sistem pembangkit secara keseluruhan. Untuk itu, dipandang perlu untuk melaksanakan “Studi Koordinasi Proteksi Sistem Unit Pembangkit Gresik, untuk memperoleh rekomendasi setting dan kelengkapan peralatan pengaman pada unit pembangkit sehingga dapat mencapai keandalan serta stabilitas yang layak.
Abstrak - Proteksi terhadap sistem kelistrikan serta peralatannya adalah hal yang sangat dibutuhkan dalam industri. Sistem proteksi berperan penting dalam mendeteksi adanya gangguan dan dapat mencegah kerusakan yang diakibatkan gangguan. Koordinasi sistem proteksi yang baik akan mengisolasi daerah gangguan dan mencegah pemadaman di daerah lain. Hal ini dapat meningkatkan keandalan sistem dengan menjaga kontinyuitas suplai pada beban. Untuk menjaga dan meningkatkan performa sistem proteksi perlu dilakukan suatu studi terhadap koordinasi rele pengaman yang terpasang. Tugas Akhir ini bertujuan untuk menyajikan analisis terhadap koordinasi rele pengaman pada Unit Pembangkit PLTU dan PLTG PT.PJB GRESIK. Dari dua tipikal koordinasi yang dianalisis dapat diketahui bahwa ada beberapa kesalahan koordinasi pada setelan (setting) pickup dan time delay. Dari hasil analisis dalam tugas akhir ini, direkomendasikan melengkapi peralatan pengaman khususnya pada pengaman generator, penyetelan ulang rele, dan penggantian sistem pentanahan menggunakan sistem pentanahan dengan impedansi (NGR).
II . Sistem Kelistrikan dan Evaluasi Peralatan Pengaman PLTG dan PLTU Sistem kelistrikan di PT PJP UP Gresik dibagi kedalam dua blok, yaitu blok PLTU dan PLTG. Blok PLTU terdiri atas 4 pembangkit yaitu, pembangkit #1 dan #2 dengan kapasitas 100 MW dan pembangkit #3 dan #4 dengan kapasitas 200 MW. Blok PLTG hanya memiliki dua pembangkit yaitu, pembangkit #1 dan #2 26 MW. Gambar di bawah ini akan menunjukkan single line diagram dari masing-masing blok.
Kata Kunci – Koordinasi, rele pengaman generator, gangguan I . Pendahuluan Dalam upaya melayani kebutuhan masyarakat Unit Pembangkit Gresik mengoperasikan PLTG 2 × 26 𝑀𝑀𝑀𝑀, PLTU 2 × 100 𝑀𝑀𝑀𝑀 dan 2 × 200 𝑀𝑀𝑀𝑀. PLTG dibangun pada tahun 1976.
Gambar 1. Single Line Diagram PLTG
1
Gambar 2. Single Line Diagram PLTU Lanjutan Tabel 1. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTU dengan Standar IEEE
Sistem pengaman yang lengkap dibutuhkan untuk melindungi unit pembangkit PLTU dan PLTG, dengan begitu maka unit pembangkit dapat melayani kebutuhan masyarakat dengan baik. Adapun terdapat peralatan pengaman yang digunakan untuk mengamankan masing-masing unit pembangkit. Jadi jika terjadi gangguan secara tiba-tiba maka peralatan pengaman dapat mengisolasi daerah terjadinya gangguan sehingga gangguan tidak menyebar ke peralatan yang lain [1]. Namun tidak semua peralatan pengaman pada PLTU dan PLTG dapat mengatasi semua gangguan yang mungkin terjadi, oleh karena itu dibuat perbandingan antara kelengkapan peralatan pengaman PLTU dan PLTG dengan standar IEEE. Berikut ini adalah tabel perbandingannya.
No.
Function
8
9 10 11 12 13 14
Tabel 1. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTU dengan Standar IEEE
15
Device No. No.
Function
1
2
Voltage balance or loss of potential relay Volts/hertz overexcitation protection for the generator and its associated step-up and auxiliary transformers
3
Frequency relay. Both under frequency and overfrequency protection may be required
4
Differential relay. Primary phase-fault protection for the generator
5
Loss of field protection
6
7
Stator unbalanced current protection. Negative sequence relay Voltage controlled or voltagerestrained time overcurrent relay. Backup for system and generator zone phase faults
IEEE
PLTU 1/2
PLTU 3/4
16
60G
60G2
60G4
17
24
v/f
v/f
18 19
81
95G-L / 95G-H
95G-L / 95G-H
87G
87G
87G
40
40G
40G
46
46G
46G
51V
51VG
-
20
2
Device No. IEEE
PLTU 1/2
PLTU 3/4
64F
64GE
64GE
87T
87AT
87AT
Undervoltage relay
27
-
-
Overvoltage protection
59
-
-
32
91A-91B
-
87U
87GT
87GT
51TN1
51NMT
51NMT
59GN
64G
64G
51TN2
51NAT
51NAT
21
-
44
49
-
-
50
-
-
50/51GN
-
-
Voltage relay. Primary protection for rotor ground faults Differential relay. Primary protection for GSU or UAT transformer
Reverse-power relay. Motoring protection Differential relay for overall unit and transformer Main Transformer Neutral Time overcurrent relay Generator neutral overvoltage Time overcurrent relay. Provides backup protection for GSU ground faults Distance relay. Backup for system and generator zone phase faults Stator thermal protection instantaneous overcurrent relays Ground Fault Time overcurrent relays with instantaneous element
21
Time overcurrent relay
51
51AT
51AT
23
Transformer oil gas level
71
-
-
24
Loss of synchronism protection
78
-
-
Tabel 2. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTG dengan Standar IEEE
Lanjutan Tabel 2. Perbandingan Peralatan Pengaman PLTG dengan Standar IEEE Device No.
Device No. No.
Function IEEE
PLTG 1/2 No.
1
Voltage balance or loss of potential relay
60G
-
2
Volts/hertz overexcitation protection for the generator and its associated step-up and auxiliary transformers
24
-
3
Frequency relay. Both under frequency and overfrequency protection may be required
81
4
Differential relay. Primary phase-fault protection for the generator
13 14
-
15 87G
87G
16
Function
Differential relay for overall unit and transformer Main Transformer Neutral Time overcurrent relay Generator neutral overvoltage Time overcurrent relay. Provides backup protection for GSU ground faults Distance relay. Backup for system and generator zone phase faults
IEEE
PLTG 1/2
87U
-
51TN1
-
59GN
-
51TN2
64TN
21
-
5
Loss of field protection
40
40G
17
6
Stator unbalanced current protection. Negative sequence relay
46
46G
18
Stator thermal protection
49
-
7
Voltage controlled or voltage-restrained time overcurrent relay. Backup for system and generator zone phase faults
19
instantaneous overcurrent relays
50
50T
20
Ground Fault Time overcurrent relays with instantaneous element
50/51GN
50/51GN
8
Voltage relay. Primary protection for rotor ground faults Differential relay. Primary protection for GSU or UAT transformer
51V
-
64F
64F
21
Time overcurrent relay
51
-
87T
87T
22
Exciter or dc generator relay
53
-
Undervoltage relay
27
27
23
Transformer oil gas level
71
-
11
Overvoltage protection
59
59G
24
Loss of synchronism protection
78
-
12
Reverse-power relay. Motoring protection
32
32G
9 10
III . Evaluasi dan Perbaikan Koordinasi Relay Koordinasi Pengaman Overcurrent Phasa Peralatan pengaman overcurrent adalah peralatan yang mutlak perlu dikoordinasikan. Berikut ini plot dari tipikal pengaman overcurrent phasa pada unit pembangkit PLTU A.
Gambar 3. Hasil Plot Kurva Eksisting Koordinasi Pengaman Overcurrent Fasa
Dari hasil plot tersebut dapat diketahui bahwa terdapat miskoordinasi pada setting instan pengaman overcurrent phasa. Dengan setting yang demikian, maka terjadi gangguan hubung singkat pada daerah 4.16 kV, setting instan rele beban dalam hal ini pengaman motor tidak trip namun pengaman overcurrent pada rele 87AT akan men-trip-kan pembangkit. Hal ini akan sangat
merugikan. Seharusnya pengaman beban yang harus trip. Oleh sebab itu sebaiknya setting tap pada rele 87 AT perlu dinaikkan dan pengaman instan beban diturunkan. Dengan mengacu pada aturan sebelumnya , maka dapat dilakukan perhitungan untuk menentukan setting peralatan pengaman overcurrent fasa PLTU sebagai berikut:
3
Pengaman Beban (50/51) Dalam menentukan tipikal setting untuk pengaman overcurrent pada beban, maka yang harus diperhatikan adalah beban dengan daya terbesar. Pada PLTU, beban terbesar adalah motor boiler feed pump dengan kapasitas 3 MW. Adapun data yang perlu diperhatikan dalam menentukan setting pengaman overcurrent pada beban adalah sebagai berikut : - Full Load Amperes (FLA) = 488 A =2440A - Starting current (Istart) - Minimum through =1992A fault current (Isc Min.) - Rating CT fasa = 750/5 Dari data tersebut maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut : Low-set Tap (I>) Pick-up = 1.3 × FLA = 1.3 × 488 = 687.4 A 687 .4 → I> = 750 × 5 = 4.58 A → dipilih low-set tap 5A High-set Tap (I>>) 1.3 × Istart ≤ Pick-up ≤ 0.8 × Isc Min. Pick-up = 1.5 × Istart = 1.5 × 2440 = 3660 A 3660 → I>> = 750 × 5
akan menghasilkan setting overcurrent instan sebesar 5120 A seperti yang dapat kita lihat pada Gambar 3 sebelumnya. Seperti yang telah dijelaskan pada rule setting di atas, pick-up overcurrent instant sebaiknya diusahakan berada di atas arus gangguan maksimum yang dapat terjadi di sisi tegangan 4.16 kV. Dengan arus hubung singkat maksimum yang dapat mengalir adalah sekitar 6550 A di sisi primer trafo auxiliary, maka setting pick-up diferensial sisi primer sebaiknya diubah sebagai berikut : - Rating CT Primary = 1000/5 - Rating CT Sekundary = 4000/5 1.1 × Isc Max . Pick-up = 8 1.1 × 6550
= 8 = 900.625 A 900.625 → Primary Tap = 1000 × 5 = 4.5 A dipilih primary tap 4.6 A
Pengaman Trafo Auxiliary (51AT) Untuk menentukan setting pick-up dari rele inverse time overcurrent pengaman trafo auxiliary ini harus diperhatikan FLA primer trafo, yaitu sebesar 615.8 A. dengan rating CT sebesar 1000/5 maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut: Low-set Tap (I>) Pick-up = 1.3 × FLA = 1.3 × 615.8 = 800.54 A 800 .54 → I> = 1000 × 5
= 24.4 A → dipilih high-set tap 25 A
= 4.003 A → dipilih tap 4 A
Element Instant Overcurrent Rele Diferensial (87AT) Berdasarkan manual book rele GBT2D-BT2, rele tersebut memiliki elemen instant overcurrent yang akan pick-up dan langsung men-trip-kan pembangkit apabila mengalir sebesar 8 kali setting pick-up. Oleh sebab itu, apabila dengan kondisi eksisting setting pickup primer sebesar 640 A,
Dari hasil perhitungan di atas, maka dapat diplot hasil resetting untuk tipikal koordinasi sistem pengaman overcurrent fasa pada sistem kelistrikan PLTU seperti pada gambar berikut.
Gambar 4. Hasil Plot Kurva Resetting Koordinasi Pengaman Overcurrent Fasa
4
B.
Koordinasi Pengaman Fault Besarnnya arus gangguan ground fault sangat tergantung pada sistem pentanahan yang digunakan. Dimana sistem pentanahan yang digunakan adalah solid. Peralatan pengaman ground fault juga peralatan pengaman
yang perlu dikoordinasikan. Adapun untuk melakukan koordinasi tersebut perlu di plot kurva setting eksisting dari pengaman tersebut, kemudian dibandingkan nilai settingannya dengan arus ground fault yang mungkin terjadi. Berikut ini hasil plot dari pengaman ground fault.
Gambar 5. Hasil Plot Kurva Pengaman Ground Fault
Seperti pada hasil plot di atas, dapat diketahui bahwa terdapat arus gangguan gound fault yang terdapat sangatlah besar. Hal ini disebakan karena sistem pentanahan yang digunakan adalah solid gounding, sehingga arus ground fault yang terjadi sama bahkan lebih besar dari arus gangguan phasa. Hal ini juga dapat merugikan, sebab kejadiannya akan sama dengan kejadian gangguan phasa seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, karena arus gangguan phasa yang mengalir ketika terjadi gangguan ground fault sangat besar, maka pembangkit akan trip, karena pengaman 87AT akan pickup terlebih dahulu. Oleh sebab itu, sebaiknya untuk sistem pentanahan yang digunakan pada tegangan 4.16 kV digunakan sistem pentanahan dengan impedansi (NGR) Dengan menggunakan sistem pentanahan NGR, maka arus ground fault dapat diperkecil sehingga tidak terlalu bahaya bagi sistem. Dengan memeperhatikan kebutuhan grounding peralatan dengan NGR, maka direkomendasikan NGR dengan rating 400 A; 10 sekon. Adapun pemilihan rating NGR ini juga berkenaan dengan CT yang digunakan. Dimana CT yang digunakan adalah residual CT, sehingga dipilih low resistance grounding untuk mengatasi keterbatasan sensitifitas CT. Apabila menggunakan high resistance grounding, maka residual CT tidak akan cukup sensitif untuk mendetksi arus ground fault yang kecil. Dengan adanya penambahan NGR seperti yang telah direkomendasikan, maka untuk menentukan setting ideal dari koordinasi pengaman ground fault dapat dilakukan resetting koordinasi sistem proteksi dengan rule sebagai berikut :
Dengan mengacu pada rule di atas, maka dapat dilakukan perhitungan untuk menentukan setting peralatan pengaman ground fault PLTU sebagai berikut : perhitungan sebagai berikut. Pengaman Beban (50N) Untuk pengaman ground fault pada beban, yang akan digunakan adalah definite time ground overcurrent. Dengan rating CT sebesar 750/5, maka rele ini dapat di-set pada kemampuan maksimum dari sensitifitasnya, yakni sekitar 10% dari rating primer CT. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, dengan menggunakan NGR maka arus ground fault maksimum dibatasi pada nilai 400 A. Dengan arus ground fault maksimum sebesar 400 A, rele pengaman beban dapat di-set pada 75A. adapun setting waktu yang direkomendasikan adalah 0.7 detik. Hal ini sebagai antisipasi dari adanya arus starting yang sangat besar akibat humidity yang tinggi. Humidity tersebut akan hilang sebelum 0.7 detik, sehingga dapat menghindari motor trip saat start. Berikut ini perhitungan untuk menentukan tap yang digunakan. 75 → I> = 750 × 5 = 0.5 A Pengaman Trafo Auxiliary (51NAT) Untuk pengaman ground fault pada trafo auxiliary, yang digunakan adalah rele inverse
5
time ground overcurrent. Dengan rating CT sebesar 3000/5 dan range setting minimum sebesar 4 A, maka arus ground fault minimum yang dapat terdeteksi adalah sebesar 2400 A. Hal ini tentu tidak sesuai dengan penggunaan NGR di mana arus ground fault maksimum yang dapat terjadi hanya sebesar 400 A. Oleh sebab itu direkomendasikan juga penggunaan CT yang lebih sensitif, misalnya 75/5. Untuk setting pick-up, rele ini juga dapat diset pada 75 A dengan waktu operasi 1 detik pada arus maksimum 400 A. Hal ini disesuaikan dengan grading time rele pengaman beban sehingga menghjasilkan koordinasi yang baik. Adapun perhitungan untuk menentukan tap yang digunakan adalah sebagai berikut. 75 → I> = 75 × 5 =5A Sedangkan untuk menentukan time dial yang harus digunakan agar waktu operasinya 1 detik pada arus maksimum 400 A, dapat didasarkan pada manual book rele yang digunakan yaitu rele ICO1D-AT1.
Dikarenakan nilai 400 A adalah 5.33 kali dari pick-up 75 A, maka kurva yang digunakan adalah kurva dengan time dial yang menghasilkan waktu sekitar 1 detik pada nilai arus 5 kali pick-up-nya. Dengan melihat pilihan tap di atas, maka time dial yang dipilih adalah time dial 3. Berikut rincian setting untuk rele 51NAT:
CT Ratio Pick-up tap Time Dial
= 75/5 =5A =3
Pengaman Main Transformer (51NMT) Untuk pengaman ground fault pada main transformer, setting yang digunakan sudah sangat tepat, sehingga tidak perlu ada perubahan. Dari hasil perhitungan di atas, maka dapat di-plot hasil resetting untuk tipikal koordinasi sistem pengaman ground fault pada sistem kelistrikan PLTU seperti pada gambar berikut.
Gambar 6. Hasil Plot Kurva Resetting Koordinasi Pengaman Ground Fault
Untuk pengaman ground fault pada PLTG yang dapat dibahas adalah rele proteksi generator 7UM62. Berikut ini adalah data setting rele tersebut: -
CT Ratio I> pick up I> Td I>> pick up I>> Td
setting high-set, dan 3 detik untuk setting low-set. Sehingga untuk setting pengaman ground fault pada PLTG sudah cukup baik. V . Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisis yang dilakukan, terdapat beberapa hal yang dapat disimpulkan, yaitu: 1. Terdapat beberapa fungsi pengaman generator belum tersedi seperti reverse power, lost of synchro, dan pengaman thermal stator. 2. Terdapat beberapa fungsi pengaman utama main/aux transformer belum tersedia, terutama pengaman gangguan internal trafo 3. Untuk meningkatkan keamanan dan keandalan sistem, sebaiknya peralatan pengaman dilengkapi terutama peralatan pengaman utama generator.
: 10/5 : 10 mA : 3.00 sec : 23 mA : 1.00 sec
A.
Untuk sistem pentanahan yang digunakan pada generator adalah sudah menggunakan high resistance grounding, sehingga arus ground fault yang dapat terjadi sangatlah kecil. Adapun rating CT yang digunakan sudah cukup sensitif, sehingga rele dapat membaca arus ground fault yang sanagt kecil, sedangkan untuk setting time dial yang digunakan juga sudah cukup lama yaitu, 1 detik untuk
6
4.
Terjadi miskoordinasi pada setting pengaman instan overcurrent phasa dan dapat menyebabkan pembangkit trip seketika apabila terjadi gangguan phasa pada sistem 4.16 kV.
SMA Negeri 1 Makassar pada tahun 2007, penulis melanjutkan pendidikannya di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Jurusan Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah penulis aktif mengikuti berbagai seminar dan pelatihan. Penulis yang merupakan salah satu asisten di Laboratorium Instrumentasi Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga (B.204) ini juga aktif mengikuti berbagai kegiatan kemahasiswaan, salah satunya menjadi Kepala Departemen Komunikasi dan Informasi Ikami Sul-Sel Cab. Surabaya periode 2009-2011. Penulis pernah menjadi octofinalis East Java Varsities English Debate 2009, dan juga best speaker electrical English debate tahun 2009. Penulis dapat dihubungi di alamat email
[email protected].
B. Saran Sistem pentanahan yang digunakan sebaiknya diganti, yaitu pada pentanahan sistem 4.16 kV. Sistem pentanahan yang digunakan adalah solid grounding, sehingga arus gangguan ground fault akan sangat besar sehingga dapat menyebabkan miskoordinasi dengan pengaman phasa. Sistem pentanahan yang direkomendasikan pada tegangan 4.16 kV adalah sistem pentanahan dengan impedansi (NGR) dengan rating 400 A; 10 detik. Perlu dilakukan resetting rele overcurrent (phasa dan ground) pada sistem kelistrikan PLTU sesuai dengan yang telah direkomendasikan. DAFTAR PUSTAKA 1. IEEE Std 242-2001™, “IEEE Guide for AC Generator Protection”, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, Ch. 15, 2001 2. Wahyudi, ”Diktat Kuliah Pengaman Sistem Tenaga Listrik”, Teknik Elektro ITS, Surabaya, Bab 2, 2004 3. INTRODUCTION MANUAL-DIV. IV GENERATOR AND ELECTRICAL EQUIPMENT BOOK E-2 4. Penangsang, Ontoseno, “Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Jilid 2”, Teknik Elektro ITS, Surabaya, Bab 1, 2006 5. Lazar, Irwin, “Electrical System Analysis and Design for Industrial Plant”, McGraw-Hill Inc.,USA, Ch. 1, 1980 6. Hewitson, L.G. (et al), “Practical Power Systems Protection”, Elsevier Ltd., USA, Ch.1, 2004 7. Sleva, Anthony F., “Protective Relay Principles”, CRC Press, USA, Ch. 5, 2009 8. IEEE Std 242-2001™, “IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems”, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, Ch. 15, 2001
Biografi Penulis Penulis memiliki nama lengkap Rifgy Said Bamatraf. Lahir di Ujung Pandang pada tanggal 15 April 1989. Anak kedua dari pasangan Said Bamatraf dan Sri Mawar Said ini mengawali pendidikannya di SDN Mangkura IV pada tahun 1995-2001, kemudian melanjutkan ke SMP Negeri 6 Makassar hingga tahun 2004. Setelah lulus dari
7
