muara karang

BAB IV
RELAY PROTEKSI GENERATOR BLOK 2 UNIT GT 2.1
PT. PEMBANGKITAN JAWA-BALI (PJB) MUARA KARANG
4.1 Tinjauan Umum
Pada dasarnya proteksi bertujuan untuk mengisolir gangguan yang terjadi
sehingga tidak merusak peralatan dan sistem yang tidak terganggu. Untuk sistem
yang besar umumnya besaran - besaran ukur untuk mengetahui kesalahan
ditransformasikan dulu melalui transformator ukur ke harga yang lebih kecil,
kemudian dimasukkan ke relay yang akan memerintahkan penggerak melakukan
tripping membuka CB atau memberi sinyal pada peralatan/komponen proteksi.
Generator merupakan alat yang paling mahal dalam suatu sistem tenaga listrik
arus bolak – balik dan merupakan bagian yang paling mungkin terjadi gangguan
atau kerusakan. Untuk itu dibutuhkan suatu perlindungan dari keadaan abnormal
yang memiliki keandalan tinggi.
Pada generator jika terjadi gangguan tidak cukup hanya memutuskan hubungan
dengan beban, karena hal ini tidak mencegah terjadinya kerusakan lebih lanjut
selama generator masih mensuplai tenaga listrik. Sehingga pada umumnya sebuah
relay pada generator akan melakukan tiga langkah pengamanan, yaitu:
menghilangkan medan, memberhentikan suplai uap, air atau bahan penggerak
60 58 turbin
lainnya,
memutuskan
beban,
serta
lebih
lanjut
mensuplai
karbondioksida ke dalam generator untuk memadamkan busur api yang timbul.
Gambar 4.1 Ruang lingkup Sistem Proteksi Pembangkit
Keterangan Gambar:
A : Penggerak Mula (Turbin)
B : Generator
C : Main Transformator/Generator Transformer
D : Main Aux Transformer
E : Reserve Auxiliary Transformer
F : Motor-motor pemakaian sendiri
--- : Lingkup Relay Pembangkit
gas
59 4.2 Klasifikasi Gangguan pada Generator
™ Gangguan listrik (electric fault), adalah gangguan yang timbul dari bagian
kelistrikan generator. Gangguan ini antara lain:
¾ Hubung singkat antar fasa
Hubung singkat yang dimaksud adalah hubung singkat pada belitan stator.
Jika hubung singkat yang terjadi 3 fasa, maka akan muncul bunga api
dengan suhu tinggi serta kemungkinan besar akan menyebabkan
kebakaran.
Efek
yang
lainadalah
vibrasi
yang
tinggi
serta
membengkoknya rotor generator.
¾ Stator to ground
Kerusakan akibat gangguan hubung singkat 2 fasa masih bisa diperbaiki
dengan menyambung (tapping) atau mengganti konduktor, namun
gangguan stator to ground ini bisa menyebabkan lelehnya laminasi besi
dan loncatan bunga api yang besar kemudian akan menyebabkan
kerusakan yang sangat serius.
¾ Rotor to ground
Pada rotor yang belitannya tidak dihubungkan ke tanah, bila salah satu sisi
terhubung ke tanah belum menjadi masalah. Tetapi apabila sisi lainnya
kemudian terhubung ke tanah sementara sisi sebelumnya tidak
terselesaikan maka akan terjadi kehilangan arus pada sebagian belitan
yang
terhubung
singkat
melalui
tanah,
akibatnya
akan
terjadi
ketidakseimbangan fluksi yang menimbulkan vibrasi yang berlebihan dan
kerusakan yang fatal pada rotor.
60 ¾ Loss of excitation
Kehilangan medan penguat akan membuat putaran mesin naik dan
berfungsi sebagai generator induksi. Kondisi ini akan berakibat pemanasan
pada rotor dan slot wedges akibat arus induksi yang bersirkulasi pada
rotor. Loss of excitation ini dapat diakibatkan oleh:
•
Saklar eksitasi trip
•
Hubung singkat pada rotor
•
Kerusakan sikat arang
•
Kerusakan sistem AVR
•
Over voltage
Tegangan yang berlebihan melampaui batas maksimum yang diizinkan
dapat
berakibat
tembusnya
desain
isolasi
yang
akhirnya
akan
menimbulkan hubung singkat antar belitan.
™ Gangguan mekanis (Mechanical/Thermal fault)
¾ Generator berfungsi sebagai motor
Gangguan ini disebabkan adanya reverse power karena turunnya daya dari
prime mover. Dampak kerusakan akibat gangguan ini adalah kerusakan
pada prime mover itu sendiri seperti pemanasan berlebih pada sudu dan
ketidakstabilan turbin.
¾ Overheat setempat
61 Pemanasan pada stator ini dapat diakibatkan oleh kerusakan laminasi dan
kendornya bagian-bagian didalam stator, seperti pada stator wedges dan
ujung terminal belitan.
¾ Kesalahan sinkronisasi
Belum terpenuhinya syarat-syarat sinkron menjadi penyebab utama
gangguan ini, hal ini akan menyebabkan momen puntir yang berlebihan
serta gangguan pada PMT.
¾ Gangguan cooler generator
Gangguan ini akan mengakibatkan kenaikan temperature belitan stator.
™ Gangguan sistem (System fault)
¾ Abnormal frequency operation (Frekuensi yang berubah-ubah)
Gangguan ini diakibatkan adanya trip pembangkit luar sehingga frekuensi
menjadi tidak beraturan, gangguan ini akan mempengaruhi turbin
generator.
¾ Loss of Synchron (Kehilangan sinkronisasi)
Gangguan ini diakibatkan adanya perubahan beban mendadak yang
terjadi pada generator. Jika gangguan ini terjadi cukup lama, maka
generator akan kehilangan sinkronisasinya.
¾ Arus beban tidak seimbang
Pembebanan yang tidak seimbang dalam sistem atau adanya gangguan
satu phasa dan dua phasa pada sistem menyebabkan generator tidak
seimbang dan menimbulkan arus urutan negatif. Arus urutan negatif
yang berlebihan akan menginduksikan arus medan berfrekuensi
62 rangkap dengan arah yang berlawanan dengan putaran rotor. Hal ini
akan menyebabkan adanya pemanasan lebih dan kerusakan pada
bagian – bagian konstruksi rotor.
4.3 Relay – Relay Proteksi Generator
Relay sangat berperan penting dalam bidang ketenagalistrikan khususnya bidang
pembangkit tenaga listrik. Dalam pembangkitan tenaga listrik sering dijumpai
relay proteksi pembangkit, yaitu penggunaan relay untuk memproteksi atau
mengamankan peralatan-peralatan listrik seperti generator, sistem eksitasi, trafo
utama dan pemakaian sendiri, serta proteksi terhadap motor-motor listrik.
Peran relay dalam sistem proteksi sangat penting karena relay akan menjadi
kontrol bagi tripping device untuk memberikan perintah trip jika hal tersebut
diperlukan. Hal ini dapat dilihat pada gambar:
Gambar 4.2 Rangkaian dasar dari relay proteksi
4.3.1 Relay Jarak (Distance Relay (21))
63 Relay jarak merupakan proteksi utama pada penghantar transmisi, baik tegangan
150 kV maupun 500 kV. Relay ini bekerja dengan cara mengukur tegangan dan
arus pada penghantar kemudian menghitung impedansinya. Impedansi hasil
perhitungan relay kemudian dibandingkan dengan settingnya. Apabila hasil
perhitungan impedansi lebih kecil dari nilai setting maka relay akan memberi
perintah lepas (trip) kepada PMT.
Setting relay jarak berdasarkan pada daerah atau zone dari saluran transmisi yang
akan diproteksi. Zone ini menggambarkan seberapa panjang saluran yang
diproteksi oleh pengaman jarak. Secara umum, zone pada relay jarak terdiri dari
tiga zone, yaitu:
a. Zone I : mengamankan saluran yang diproteksi (protected line) settingnya
adalah 80 persen impedansi saluran yang diproteksi.
b. Zone II : mengamankan saluran yang diproteksi (protected line) dan
saluran sebelahnya (adjacent line) settingnya adalah 120 persen impedansi
saluran yang diproteksi.
c. Zone III : mengamankan saluran sebelahnya (adjacent line) settingnya
adalah saluran yang diproteksi ditambah 120 persen sebelahnya (adjacent
line).
64 Gambar 4.3 Setelan zona jarak pada relay jarak
Gambar 4.4 Setelan waktu pada relay jarak
Adapun relay jarak ini bukan relay pengaman utama tetapi merupakan “back up
protection relay” pada generator, yang bekerja mendeteksi gangguan 2 fasa atau 3
fasa di muka generator sampai batas jangkauannya dan berkoordinasi dengan
relay-relay lain. Di bawah ini terlihat relay jarak berkoordinasi dengan backup
overcurrent relay (51V), dan currentunbalance relay (46).
4.3.2 Relay Periksa Sinkron (Synchro Check Relay (25))
Peran relay ini adalah pengamanan bantu generator untuk mendeteksi persyaratan
sinkronisasi, jika persyaratan sinkron generator tidak terpenuhi maka relay ini
akan memberi sinyal berupa alarm, indikator lampu dan bila perlu memberi
perintah trip terhadap CB.
4.3.3 Relay Tegangan Kurang (Under Voltage Relay (27))
Relay ini berfungsi untuk mendeteksi turunnya nilai tegangan sampai batas yang
diperbolehkan. Biasanya relay ini dikombinasikan dengan relay over current (51)
untuk mencegah terjadinya gangguan saat generator berupaya kembali normal
65 setelah terjadi triping pada generator dan gangguan pada sistem yang
menyebabkan tegangan sistem turun sangat rendah. Jika ini terjadi maka stabilitas
sistem akan terganggu.
4.3.4 Relay Daya Balik (Anti Motoring Relay (32))
Generator berfungsi sebagai motor karena hilangnya tenaga penggerak mula
(primemover), sedangkan PMT masih masuk dan eksitasi masih ada dimana
mesin seharusnya mensuplai tenaga. Dalam keadaan seperti ini generator
menerima suplai tenaga listrik dari sistem, adapun bahaya yang ditimbulkan
adalah pemanasan lebih pada sudu-sudu turbin dan stabilitas sistem. Untuk
mencegah kerusakan akibat gangguan ini maka generator harus dilengkapi dengan
relay daya balik yang peka. Fungsi dari relay ini diatur sedemikian rupa misalnya
dapat memberikan isyarat peringatan dini atau memberikan isyarat pada rangkaian
pemutus tenaga untuk melepaskan generator dari sistem.
4.3.5 Relay Kehilangan Medan Penguat (Loss of Field Relay (40))
Untuk mencegah terjadinya kehilangan medan penguat pada generator. Ini terjadi
bila generator yang sedang dibebani medan penguatnya hilang maka kopling
magnet antara rotor dan stator menjadi lemah dan putaran rotor akan mendahului
medan magnet stator, sistem kehilangan sinkronisasi. Bila keadaan ini dibiarkan
berlangsung dapat membahayakan operasi generator dan sistem. Generator akan
bekerja sebagai generator induksi, dimana akan timbul arus sirkulasi yang sangat
besar pada permukaan rotor, khususnya pada bagian ujung dan ini dapat
menimbulkan panas yang berbahaya pada daerah setempat dan pada ujung
lengkungan irisan alur metal. Tegangan induksi atau arus induksi akan timbul
66 pada lilitan medan yang tergantung pada apakah lilitan itu terhubung singkat
sempurna atau terbuka. Arus sirkulasi ini akan menimbulkan panas dan dapat
merusak rotor.
Pengaman kehilangan medan penguat dapat diterapkan apabila salah satu atau
lebih keadaan ini terpenuhi:
a) Jika generator tidak dilengkapi dengan pengatur tegangan otomatis.
b) Salah satu generator yang dioperasikan paralel lebih besar dari lainnya.
c) Generator mempunyai hubungan listrik yang mudah sekali lepas.
4.3.6 Negative Phase Sequence Relay / Unbalance Relay (46)
Relay ini bekerja jika terjadi pembebanan yang tidak seimbang dalam sistem atau
adanya gangguan satu fasa dan dua fasa pada sistem menyebabkan generator tidak
seimbang dan menimbulkan arus urutan negatif. Arus urutan negatif yang
berlebihan akan menginduksikan arus medan berfrekuensi rangkap dengan arah
yang berlawanan dengan putaran rotor. Hal ini akan menyebabkan adanya
pemanasan lebih dan kerusakan pada bagian-bagian konstruksi rotor. Relay ini
juga bekerja ketika terjadi overheat setempat yang diakibatkan pemanasan pada
statordiakibatkan oleh kerusakan laminasi dan kendornya bagian-bagian didalam
stator, seperti pada stator wedges dan ujung terminal belitan dan gangguan cooler
generator serta gangguan kesalahan sinkron yang menimbulkan momen punter
yang berlebihan serta gangguan pada PMT.
4.3.7 Relay Arus Lebih Sesaat (Instantaneous Over Current Relay (50))
67 Fungsi reelay ini addalah untukk mendeteksi arus yang melebbihi batas yang
diperbolehhkan dalam waktu sesaaat.
Gam
mbar 4.5 Aplikasi relay arus lebih sesaat (50)
Dari gambbar diatas teerlihat jelas jika terjadi gangguan pada
p
generaator transmo
orator
yang terhuubung tanaah maka rellay ini akan
n memerintahkan PMT
T pada bus akan
trip.
4.3.8 Relaay Arus Lebih Waktu
u Tunda (Tiime Delay Over Currrent Relay (51))
Relay inni berfungssi untuk mendeteksii arus yaang melebiihi batas yang
diperbolehhkan dalam waktu yangg telah diten
ntukan. Relay ini biasaanya dikomb
binasi
dengan relay underr voltage untuk peng
gamanan stabilitas
s
siistem dan juga
k “back up protection”” pada generrator.
dikombinaasikan denggan distancee relay untuk
Overvoltagee Relay (599))
4.3.9 Relaay Tegangaan Lebih (O
t
yaang dihubun
ngkan
Relay ini dipasang dii titik netrall generator atau trafo tegangan
segitiga teerbuka dimaana fungsi relay
r
ini adaalah untuk mendeteksi
m
gangguan stator
terhubungg ke tanah (59N) dan jika relay ini terpasanng pada terrminal geneerator
maka relayy ini berfunngsi untuk mendeteksi
m
arus
a lebih (559).
68 Gambar 4.6Contoh aplikasi relay tegangan lebih
4.3.10 Relay Penguat Lebih (Over Excitation Relay (59/81))
Relay ini merupakan gabungan relay arus lebih dan relay frekuensi yang berfungsi
untuk mendeteksi penguat lebih pada generator, adapun potensi bahaya yang
timbul adalah over flushing pada generator dan generator transformer dan
pemanasan yang lebih pada inti stator.
4.3.11 Relay Keseimbangan Tegangan (Voltage Balance Relay (60))
Relay ini berfungsi untuk mendeteksi hilangnya tegangan dari trafo tegangan ke
pengatur tegangan otomatis (AVR) agar tegangan generator tetap konstan dengan
kata lain generator akan tetap mengeluarkan tegangan yang selalu stabil tidak
terpengaruh pada perubahan beban yang selalu berubah-ubah dikarenakan beban
sangat mempengaruhi tegangan output generator.
Prinsip kerja AVR adalah mengatur arus penguatan (excitacy) pada exciter.
69 Gambar 4.7 Contoh Aplikasi Voltage Balance Relay
4.3.12 Relay Stator Hubung Tanah (Stator Gorund Fault Relay (64))
Relay ini berfungsi mendeteksi gangguan hubung tanah pada stator yang
menyebabkan rusaknya kumparan stator generator, rusaknya laminasi inti besi
stator dan stabilitas sistem terganggu.
4.3.13 Relay Kehilangan Sinkronisasi (Out of Sync Relay (78))
Relay ini berfungsi mendeteksi kondisi sinkron antara generator dan sistem.
Gangguan ini diakibatkan adanya perubahan beban mendadak yang terjadi pada
generator dan jika gangguan ini terjadi cukup lama, maka generator akan
kehilangan sinkronisasi.
4.3.14 Relay Frekuensi (Frequency Relay (81))
Relay ini berfungsi untuk mendeteksi nilai frekuensi lebih rendah atau lebih tinggi
dari batas yang diizinkan. Gangguan ini dapat diakibatkan adanya trip pembangkit
70 luar sehingga frekuensi menjadi tidak beraturan dan gangguan ini akan
mempengaruhi turbin generator.
4.3.15Relay Pengunci (Lock Out Relay (86))
Fungsi relay ini adalah untuk mengirim sinyal trip dari relay-relay proteksi dan
kemudian meneruskan sinyal trip ke PMT, alarm, dan peralatan lainnya.
Gambar 4.8 Relay Pengunci (Lock Out Relay)
4.3.16 Differential Relay
Relay ini bekerja berdasarkan perbedaan diantara besaran arus yang masuk dan
arus keluar rangkaian. Ada tiga jenis atau spesifikasi pada relay differential dalam
hal penggunaan dan aplikasinya:
¾ Differential Relay 87G
Differential relay 87G merupakan relay proteksi pada generator yang
mendeteksi gangguan pada lilitan stator, gangguan hubung singkat fasa ke
71 fasa, hubung singkat fasa ke tanah, hubung singkat antara lilitan dengan
lilitan pada fasa yang sama dan rangkaian terbuka. Gangguan diatas tadi
akan menyebabkan tegangan lebih, menurunnya ketahanan dielektrik, atau
kombinasi keduanya.
Gambar 4.9 Prinsip relay differential (87G)
¾ Differential Relay 87T
Differential relay 87T merupakan relay proteksi pada transformer yang
mendeteksi gangguan hubung singkat pada daerah yang diproteksi.
¾ Unit Differential Relay 87U
Relay ini merupakan unit proteksi bersama yang mendeteksi gangguan
baik pada generator maupun transformer. Bila terjadi gangguan pada
daerah proteksinya salah satu relay (87G) atau (87T) atau bahkan kedua
relay tersebut tidak bekerja, maka unit differential relay bekerja dan akan
memerintahkan trip pada PMT.