Proteksi Ground Fault Untuk Sistem 11 kV dengan

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