STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER BUS DI PT. LINDE INDONESIA GRESIK

STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER BUS DI PT. LINDE INDONESIA GRESIK Nama : Sandi Agusta Jiwantoro NRP : 2210105021 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 Tujuan Batasan Masalah

Latar Belakang Dalam upaya meningkatkan kegiatan operasionalnya, PT. Linde Indonesia Gresik akan mengoperasikan 4 unit kompresor baru, yaitu kompresor GC-1A, GC-1B, GC-1C sebesar 350 kW, dan kompresor BC sebesar 240 kW. Untuk melayani beban – beban tersebut PT. Linde mengekspansi bus eksisting dengan cara menambahkan bus baru. Pada pengoperasiannya busbar mengalami gangguan dan sistem proteksi gagal mengamankan. Oleh karena itu, perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial pada busbar. Proteksi ini berguna untuk melindungi bagian busbar yaitu bagian yang berada di dalam zona pengaman diferensial. Sehingga bila terjadi gangguan dapat diisolasi dan tidak mengganggu sistem bagian yang lain serta kerusakan peralatan dapat dihindari

Tujuan 1.Memodelkan, mensimulasikan, dan menganalisis sistem kelistrikan PT. Linde Indonesia Gresik. 2.Memperoleh nilai knee point yang tepat pada current transformer agar CT dapat membaca gangguan dengan baik sehingga tidak terjadi kesalahan pada sistem proteksi diferensial. 3.Memperoleh setting proteksi diferensial yang tepat pada busbar sehingga gangguan dapat diisolasi dan tidak mengganggu bagian sistem yang lain serta kerusakan peralatan dapat dihindari.

Batasan Masalah 1.Bagaimana menentukan knee point dari current transformer agar CT dapat membaca gangguan dengan baik sehingga tidak terjadi kesalahan pada sistem proteksi diferensial 2.Bagaimana setting proteksi diferensial pada busbar yang terhubung dengan 4 unit kompresor baru.

Teori Penunjang Transformator Arus Rele Diferensial Rele Diferensial Tegangan (Impedansi Tinggi) Prinsip Kerja Rele diferensial

Transformator arus Transformator arus / Current Transformer (CT), digunakan untuk mengukur aliran arus pada jaringan sistem tenaga listrik. Kumparan primer trafo dihubungkan seri dengan rangkaian atau jaringan yang akan diukur arusnya sedangkan kumparan sekunder dihubungkan dengan meter Gambar 1 Rangkaian Kontruksi Transformator atau dengan rele proteksi. Arus Pada transformator arus biasa dipasang burden pada bagian sekunder yang berfungsi sebagai impedansi beban.

Rele diferensial • Rele diferensial merupakan suatu rele yang prinsip kerjanya berdasarkan kesimbangan (balance), yang membandingkan arus-arus sekunder transformator arus (CT) terpasang pada terminal-terminal peralatan atau instalasi listrik yang diamankan. Rele diferensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada busbar bila terjadi suatu gangguan. Rele ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat.

Rele diferensial teganggan (Impedansi tinggi) Rele differensial tegangan bekerja menggunakan respon tegangan atau impedansi tinggi. Transformator arus diperlukan dalam setiap line yang tersambung dengan bus seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Proteksi diferensial tegangan pada bus tidak terbatas pada jumlah sumber dan load feeder yang terhubung pada bus, serta memiliki fitur sebagai berikut : [4]  Bekerja dengan kecepatan tinggi dari 1 cycle hingga 3 cycle.  Mempunyai sensifitas tinggi dapat bekerja pada gangguan arus phasa atau arus gangguan ke tanah dengan besaran yang kecil (low value) .  Membedakan antara gangguan eksternal dan internal.

Prinsip kerja Rele diferensial tegangan (Impedansi tinggi) Pertama, tidak bekerja / trip untuk setiap gangguan yang berada di luar zona pengaman. Kedua, harus dapat bekerja untuk semua gangguan yang berada di dalam zona pengaman. Dengan mempertimbangkan persyaratan pertama, lihat Gambar 2. Asumsikan bus tiga buah pemutus dengan gangguan pada lokasi yang ditunjukkan pada F3. Untuk gangguan F3, arus gangguan I3 mengalir melalui circuit breaker 3 kemudian mengalir melalui circuit breaker 3 dan circuit breaker 2. Dengan nilai setiap arus yang mengalir pada circuit breaker 1 dan circuit breaker 2 Gambar 2 Rele Diferensial Tegangan. lebih kecil dengan jumlah yang sama dengan I . 3 Assumsikan bahwa CTs memiliki sifat ideal. Maka arus CT sekunder yang dihasilkan dari circuit breaker 1 sama dengan jumlah arus yang dihasilkan dari circuit breaker 1 dan circuir breaker 2. Arus ini mengalir pada sirkuit sekunder dan menghasilkan tegangan pada titik A dan titik B.

Skema impedansi tinggi

Gambar 3 Skema Impedansi Tinggi

•

•

•

Skema diferensial impedansi tinggi, impedansi pada diferensial memiliki resistansi tinggi yaitu 1000 ohm sampai dengan 2000 ohm. Titik persimpangan (junction point) setiap rangkaian CTs terhubung ke elemen impedansi tinggi. Untuk gangguan internal dan eksternal, semua CTs harus mampu mengalirkan arus yang melalui impedansi tinggi dan dimana terdapat stabilizing resistor yang menimbulkan tegangan untuk dibaca oleh rele overvoltage (59). Skema diatas menggunakan varistor logam-oksida (MOV) secara paralel dengan stabilizing resistensi. Sebuah MOV dipilih untuk untuk menahan tegangan pada level safety maksimum. Peralatan 50 digunakan untuk memberi sinyal yang dibutuhkan selama arus diferensial mengalir misalnya untuk inisialisasi kegagalan pemutus (breaker failure initiate). Peralatan 86 digunakan untuk memberikan sinyal trip pada breaker

ANALISA Pemilihan Transformator Arus Berdasarkan Kurva Saturasinya. Skema Diferensial Impedansi Tinggi Pada Bus 31. Setting Diferensial Impedansi Tinggi.

Ruang Lingkup Pengaman Diferensial

Gambar 4 Single Line Diagram Bus 31 dan Bus 1APD-MCC-1

Pemilhan transformator arus Ada beberapa transformator arus yang digunakan pada pengaman busbar yaitu CT 38, CT 39, CT 40, CT 41 dan CT 42. CT disini memiliki fungsi yang sangat penting dimana akurasinya dibutuhkan agar tidak salah dalam membaca arus gangguan. CT akan mengirim besaran ke rele sehingga rele dapat membaca dan mengolah data untuk memberikan perintah ke pemutus sirkuit (circuit breaker). Akurasi CT berhubungan dengan karakteristik saturasinya. Untuk itu diperlukan perhitungan untuk dibandingkan dengan nilai knee point yang ada pada Gambar 5 agar akurasi CT terjaga.

Gambar 5 Kurva Eksitasi untuk Transformator Arus Multi-Ratio Kelas C [3]

Tabel 1 Data Current Transformer

Agar current transformer bisa mendeteksi adanya gangguan dengan baik dibutuhkan CT dengan nilai knee point minimal dua kali .[1]

Keterangan : = Setting tegangan minimum

= Arus Gangguan maksimum lewat primary ampere = Ratio lilitan CT

= Resistansi dari sekunder CT = Total Resistansi dari kawat timah antara CT dan Rele

Gangguan di bus 31

Tabel 2 Hasil Perhitungan dengan Gangguan di Bus 31 Elemen

Arus Kontribusi Gangguan (A)

Tegangan Terbangkit (V)

Setting Knee Point (V)

378 13420 549 549 549

1.116 39.639 1.621 1.621 1.621

2.233 79.278 3.242 3.242 3.242

ICT38 ICT39 ICT40 ICT41 ICT42

Gangguan di Bus 31 90 80

Tegangan (V)

70

60 50

Tegangan Terbangkit

40

Setting Knee Point knee point IEEE

30 20

10 0

Ict38

Ict39

Ict40

Ict41

Ict42

Gangguan di bus 14

Tabel 3 Hasil Perhitungan dengan Gangguan di Bus 14 komponen



Tegangan Terbangkit

Setting Knee Point

(V)

(V)

352 12589

1.039 37.184

2.078 74.368

515

1.521

3.042

515 13971

1.521 41.266

3.042 82.532

Gangguan di Bus 14

90

Tegangan (V)

80 70

Tegangan Terbangkit Setting Knee Point

60

50 40 30

knee point IEEE

20 10

0

Ict38

Ict39

Ict40

Ict41

Ict42

Gangguan di bus 17



Arus Kontribusi Gangguan

Tegangan Terbangkit

Setting Knee Point

(A)

(V)

(V)

352

1.039

2.078

12589 515

37.184 1.521

74.368 3.042

13971 515

41.266 1.521

82.532 3.042

Tegangan (V)

Gangguan di Bus 17 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Tegangan Terbangkit Setting Knee Point

knee point IEEE

Ict38 Ict39

Ict40 Ict41

Ict42

Gangguan di bus 20




Tegangan Terbangkit

Setting Knee Point

(V)

(V)

352 12589

1.039 37.184

2.078 74.368

13971 515 515

41.266 1.521 1.521

82.532 3.042 3.042

Tegangan (V)

Gangguan di Bus 20 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Tegangan Terbangkit

Setting Knee Point knee point IEEE

Ict38 Ict39 Ict40 Ict41 Ict42

Gangguan di bus 22




Tegangan Terbangkit (V)

Setting Knee Point

14125 12589

41.721 37.184

83.442 74.368

515 515 515

1.521 1.521 1.521

3.042 3.042 3.042

(V)

Gangguan di Bus 22

90

Tegangan (V)

80

70 60

50

Tegangan Terbangkit

40

Setting Knee Point

30

knee point IEEE

20 10 0

Ict38

Ict39

Ict40

Ict41

Ict42

Skema diferensial impedansi tinggi pada bus 31 1APD-MCC-1

CT 39

3.3 kV Junction box

BUS 31

CT 38

CT 40

CT 41

CT 42

High impedance bus differential scheme

Rs

86

59

50 MOV

BUS 22

BUS 20

BUS 17

BUS 14

Data elemen yang digunakan pada skema diferensial impedansi tinggi

Tabel 7 Data Elemen Pada Skema Diferensial Impedansi Tinggi.

RL

0.0363 ohm

RCT

0.2 ohm

RS

2000 ohm

nCT

400/5 Gambar 6 Karakteristik Arus dan Tegangan dari MOV

Setting diferensial impedansi tinggi

1. Level Arus Hubung Singkat Tabel 8 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 31 Komponen ICT38 ICT39 ICT40 ICT41 ICT42

Arus Kontribusi Arus Kontribusi Gangguan Gangguan Maksimum 3 Phasa Maksimum Single (A) Line to Ground (A) 378 3 13420 182 549 5 549 5 549 5

Arus gangguan maksimum 3 phasa : ICT38 + ICT39 + ICT40 + ICT41 + ICT42 378 A + 13420 A + 549 A + 549 A+549 A = 15445 A Arus gangguan maksimum single line to ground ICT38 + ICT39 + ICT40 + ICT41 + ICT42 3 A + 182 A + 5A + 5A + 5A = 200 A

Tabel 9 Arus Kontribusi Gangguan Minimum Pada Bus 31 Arus Kontribusi Gangguan

Arus Kontribusi Gangguan Komponen Minimum Single Minimum 3 Phasa Line to Ground (A) (A) ICT38 0 0 ICT39 9100 200 ICT40 0 0 ICT41 0 0 ICT42 0 0 Arus gangguan minimum 3 phasa = 9100 A Arus gangguan minimum single line to ground = 200 A

Kondisi Gangguan Eksternal (Gangguan Pada Bus 14, Bus 17, Bus 20, Bus 22) Tabel 10 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 14 Komponen ICT38 ICT39 ICT40 ICT41 ICT42

Arus Kontribusi Gangguan Maksimum 3 Phasa (A) 352 12589 515 515 13971

Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Single Line to Ground (A) 3 181 5 5 194

Arus gangguan maksimum 3 phasa : ICT38 + ICT39 + ICT40 + ICT41 352 A + 12589 A + 515 A + 515A = 13971A Arus gangguan maksimum single line to ground ICT38 + ICT39 + ICT40 + ICT41 3 A + 181 A + 5A + 5A = 194 A

Tabel 11 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 17 Komponen ICT38 ICT39 ICT40 ICT41 ICT42




Tabel 12 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 20 Komponen ICT38 ICT39 ICT40 ICT41 ICT42




Tabel 13 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 22 Komponen





2. Stabilitas Pada Gangguan Eksternal (security check)

Dimana k adalah 1 untuk gangguan tiga phasa , dan k adalah 2 untuk gangguan single line to ground Tabel 14 Tegangan terbangkit di rele diferensial Gangguan

VR_3PH

VR_SLG

Bus 14

41.27

0.25

Bus 17

41.27

0.25

Bus 20

41.27

0.25

Bus 22

41.71

0.26

Dengan CTs yang dibebani gangguan eksternal yang berbeda - beda pada beberapa elemen jaringan, maka perlu dipertimbangkan tegangan rele tertinggi. Dalam hal ini, tegangan tertinggi pada gangguan eksternal adalah 41.71 V. Dengan asumsi margin perlindungan pengaman (protection security margin) 1,6 ketika melakukan setting pickup dari actuator tegangan (59) dengan perhitungan di bawah ini. VPKP = 1.6⋅41.71V = 66.73V Aktuator arus (50) yang digunakan dalam skema, setting pickup yang diperlukan berada di bawah arus gangguan minimum. Dengan asumsi margin keandalan 0.5 maka : IPKP =

3. Verifikasi dari Rating Tegangan CT (check keandalan) Dengan rekomendasi di bawah 0.67 sampai 0.5 dari akurasi tegangan kelas untuk mempertahankan respon dengan kecepatan tinggi untuk gangguan internal maka : 66.73V < 67 V = (0.67 ⋅ 100V)

Sensivitas Pada Gangguan Internal. Untuk memenuhi sensivitas pada gangguan internal maka diperlukan nilai operasi minimum dalam primary ampere untuk sistem proteksi bus ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut: Eksitasi arus pada setting tegangan dibaca dari kurva-eksitasi CT dengan asumsi 0,08 A pada 66.73 V. Karena ada lima CTs, IEX adalah 5 ⋅ 0,08 A = 0,4 Arus MOV pada pengaturan tegangan diperoleh dari karakteristik MOV. Karakteristik MOV diberikan dalam volt peak dan amp peak sehingga perlu dikonversi ke nilai RMS. 66.73V⋅ 2 = 133.46 V. Dengan tegangan 133.46 V arus MOV memiliki nilai yang sangat kecil sehingga dapat diabaikan karena tidak signifikan dalam perhitungan. Impedansi beban arus pada pengaturan tegangan adalah 66.73 V/2000 Ω = 0,0334 A. Iop = (0.4+ 0.0 + 0.0334) ⋅ 80 = 34.67 APRIMARY

Setting Waktu Untuk setting waktu berdasarkan rekomendasi dari IEEE [4], rele diferensial beroperasi dari 1 cycle hingga 3 cycle. Dengan frekuensi 50 Hz maka akan diperoleh setting waktu sebagai berikut.  Perhitungan untuk 1 cycle  Perhitungan untuk 3 cycle

Dari perhitungan diatas maka setting waktu yang di rekomendasikan yaitu 20 ms sampai 60 ms. Pada skema diferensial impedansi tinggi ini dibutuhkan respon waktu yang cepat agar peralatan dapat terlindungi sehingga dipilih setting waktu rele sebesar 20 ms .

KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis yang telah dilakukan untuk setting pengaman rele differensial pada bus 31 yang terhubung dengan 4 kompresor baru, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Dengan penambahan bus 31 yang rentan terhadap gangguan maka perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial. 2. Zona proteksi diferensial berada di daerah bus 31. Sehingga bus 31 berada pada zona internal proteksi diferensial dan bus yang lain yaitu bus 14, bus 17, bus 20 dan bus 22 berada di zona eksternal proteksi diferensial. 3. Pada gangguan di zona internal proteksi differensial bus impedansi tinggi yaitu gangguan pada bus 31 menunjukkan bahwa beban paling besar ditanggung oleh CT 39. 4. Untuk gangguan di zona eksternal proteksi differensial bus impedansi tinggi yaitu gangguan pada bus 14, bus 17, bus 20 dan bus 22. Beban paling besar yang ditanggung oleh CT dimana gangguan itu terjadi

KESIMPULAN (2) 5. Setting knee point CT diperoleh dengan mempertimbangkan beban maksimum yang ditanggung oleh masing – masing CT ketika mengalami gangguan baik di zona internal maupun zona Eksternal proteksi diferensial bus impedansi tinggi. 6. Dengan membandingkan Setting knee point dengan kurva eksitasi untuk transformator arus kelas C pada IEEE Guide for the Application of Current Transformer Used for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C37. 1101996, maka pemilihan rasio CT 400:5 sesuai dengan kebutuhan. 7. Untuk memenuhi kriteria keandalan dengan mempertimbangkan sensitivitas pada gangguan internal maka nilai arus operasi minimum berada dibawah nilai arus hubung singkat minimum. 8. Dengan mempertimbangkan rekomendasi dari IEEE maka dipilih setting waktu sebesar 20 ms.

Sekian & Terima kasih

Daftar pustaka [1]R.M. Rifaat, “ Considerations in Applying Power Bus Protection Scheme to Industrial and IPP Systems,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 40, no.6, Nov/Dec. 2004. [2]IEEE Guide for Protective Relay Application to Power System Buses, IEEE Standard C37.234-2009. [3]IEEE Guide for the Application of Current Transformer Used for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C37. 1101996. [4]IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems, IEEE Standard 242-2001.

STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER BUS DI PT. LINDE INDONESIA GRESIK

Recommend Documents