BAB IV SISTEM PENGOPERASIAN GENERATOR SINKRONISASI

BAB IV
SISTEM PENGOPERASIAN GENERATOR
SINKRONISASI
4.1
Prinsip Kerja Sinkronisasi Genset di PT. ALTRAK 1978
Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan
magnet homogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada
kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang
dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet
diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole
generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal
ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat,
sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi.
Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub
internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan
oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator.
Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada
celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan
konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub
internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga
membentuk beda fasa dengan sudut 120°.
Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan
dengan mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder,
31
kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks
terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal
(internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor
melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan
eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka
tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan.
Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan
pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga
suatu generator dapat menghasilkan energi listrik dengan besar tegangan
keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya.
Sistem ini merupakan sistem yang vital pada proses pembangkitan
listrik dan pada perkembangannya, sistem Eksitasi pada generator listrik
ini dapat dibedakan menjadi 2 macam, yaitu:
1. Sistem Eksitasi dengan menggunakan sikat (brush excitation)
2. Sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation).
4.1.1. Sistem Eksitasi dengan menggunakan sikat (brush excitation)
Pada Sistem Eksitasi menggunakan sikat, sumber tenaga listriknya
berasal dari generator arus searah (DC) atau generator arus bolak balik
(AC) yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier.
Jika menggunakan sumber listrik listrik yang berasal dari generator
AC atau menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG) medan
magnetnya adalah magnet permanent. Dalam lemari penyearah, tegangan
32
listrik arus bolak balik diubah atau disearahkan menjadi tegangan arus
searah untuk mengontrol kumparan medan eksiter utama (main exciter).
Untuk mengalirkan arus Eksitasi dari main exciter ke rotor
generator menggunakan slip ring dan sikat arang, demikian juga
penyaluran arus yang berasal dari pilot exciter ke main exciter .
Gambar 4.1 Eksitasi dengan menggunakan sikat (brush excitation)
4.1.2. Sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation).
Penggunaan sikat atau slip ring untuk menyalurkan arus excitasi ke
rotor generator mempunyai kelemahan karena besarnya arus yang mampu
dialirkan pada sikat arang relatif kecil. Untuk mengatasi keterbatasan sikat
arang, digunakan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless
excitation).
Keuntungan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless
excitation), antara lain adalah:
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) tidak terdapat sikat, komutator dan slip ring.
33
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
meningkatkan keandalan operasi dapat berlangsung terus 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
Gambar 4.2 Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation)
34
4.2
Proteksi generator
4.2.1. Gangguan Generator Sinkron
Gangguan Generator Sinkron relatif jarang terjadi karena:
1). Instalasi Listrik tidak terbuka terhadap lingkungan, terlindung terhadap
petir dan tanaman.
2). Ada Transformator Blok dengan hubungan Wye-Delta, sehingga
mencegah arus (gangguan) urutan nol dari Saluran Transmisi masuk ke
Generator.
3). Instalasi Listrik dari Generator ke Rel umumnya memakai Cable Duct
yang kemungkinannya mengalami gangguan kecil.
4). Tripnya PMT Generator sebagian besar (lebih dari 50%) disebabkan
oleh gangguan mesin penggerak generator.
Namun ada juga gangguan-gangguan yang sering terjadi pada generator
sinkron, meliputi gangguan pada :
1). Stator
2). Rotor (Sistem Penguat)
3). Mesin Penggerak
4). Back up instalasi di luar Generator
35
4.2.2. Pengaman Terhadap Gangguan Luar Generator
Generator umumnya dihubungkan ke rel (busbar). Beban dipasok
oleh saluran yang dihubungkan ke rel. Gangguan kebanyakan ada di
saluran yang mengambil daya dari rel.
Instalasi penghubung generator dengan rel umumnya jarang
mengalami gangguan. Karena rel dan saluran yang keluar dari rel sudah
mempunyai proteksi sendiri,
Maka proteksi generator terhadap gangguan luar cukup dengan
relay arus lebih dengan time delay yang relatif lama dan dengan voltage
restrain.
Voltage Restrain
1). Arus Hubung Singkat Generator turun sebagai fungsi waktu.
2). Hal ini disebabkan oleh membesarnya arus stator yang melemahkan
medan magnit kutub (rotor) sehingga ggl dan tegangan jepit Generator
turun.
3) Untuk menjamin kerjanya Relay sehubungan dengan menurunnya arus
hubung singkat Generator, diperlukan Voltage Restrain Coil.
• Mengingat karakteristik hubung singkat Generator yang demikian, pada
Generator besar dipakai juga Relay Impedansi.
4.4. Pengaman Terhadap Gangguan Dalam Generator
1). Hubung singkat antar fasa
a. Untuk proteksi dipergunakan relay differensial.
36
b. Kalau relay ini bekerja maka selain mentripkan PMT generator, PMT
medan penguat generator harus trip juga.
c. Selain itu melalui relay bantu, mesin penggerak harus dihentikan
2). Hubung Singkat Fasa – Tanah
a. Dipakai Relay Hubung Tanah terbatas.
b. Relay ini memerintahkan
- PMT Generator Trip
- PMT Medan Penguat Mesin Penggerak berhenti (melalui Relay
Bantu)
c. Pada Generator yang memakai Trafo Blok Ynol dari gangguan hubung tanah di luar Generator tidak masuk, bisa
dipakai pula :
- Relay Tegangan yang mengukur pergeseran tegangan titik Netral
terhadap tanah.
- Relay Arus yang mengukur arus titik Netral ke tanah lewat
tahanan atau kumparan.
3). Penguatan Hilang
a. Penguatan hilang atau penguatan melemah (under exitation) bisa
menimbulkan pemanasan yang berlebihan pada kepala kumparan stator
b. Penguatan hilang menyebabkan gaya mekanik pada kumparan arus
searah rotor hilang, terjadi out of step, menjadi Generator Asinkron,
37
timbul arus pusar berlebihan di rotor, selanjutnya rotor mengalami
pemanasan berlebihan.
c. Relay penguatan hilang akan mentripkan PMT Generato
4). Penggunaan Relay Mho
a. Dalam keadaan eksitasi rendah / hilang, Generator akan mengambil
daya Reaktif dari sistem.
b. Oleh karenanya dipakai Relay Mho yang bekerja pada kwadran 3 dan 4
dari Kurva Kemampuan Generator.
c. Perlu perhatian pada Beban Kapasitif, misalnya Saluran Kosong, Daya
Reaktif akan masuk ke Generator dan menyebabkan Relay ini bekerja.
5). Hubung Singkat dalam Sirkit Rotor
Hubung singkat dalam sirkit rotor bisa menyebabkan penguatan hilang.
a.
Karena hubung singkat dalam sirkit rotor ini, bisa timbul distorsi
medan magnet dan selanjutnya timbul getaran berlebihan.
b.
Cara mendeteksi gangguan sirkit rotor : Potentio Meter, AC Injection,
DC Injection.
6). Relay Negatif Sequence
a. Gangguan yang menimbulkan ketidak-simetrisan Tegangan maupun
arus, menimbulkan Negatif Sequence Current, tetapi tidak dapat dideteksi
oleh Relay-relay yang telah disebutkan sebelumnya, maka sebelum
38
Negatif Sequence Current terjadi diharapkan dapat dideteksi oleh Relay
ini.
b. Gangguan-gangguan tersebut di atas misalnya adalah :
– Hubung Singkat antar lilitan satu fasa.
– Hubung Tanah di dekat titik Netral.
– Ada sambungan salah satu fasa yang kendor.
c. Negative Sequence Current bisa menimbulkan pemanasan berlebihan
pada rotor.
7). Gangguan Internal Generator Yang Sulit Dideteksi
a. Hubung singkat antar lilitan satu fasa, tidak terdeteksi oleh relay
diferensial.
b. Hubung tanah di dekat titik Netral, tidak terdeteksi oleh relay hubung
tanah terbatas.
c. Lilitan putus atau sambungan kendor, tidak terlihat oleh relay
diferensial.
d. Diharapkan relay suhu dan relay Negatif Sequence bisa ikut mendeteksi
dua gangguan ini.
Untuk Exciter berupa generator arus bolak balik yang memakai diode
berputar, deteksi gangguan rotor hanya bisa lewat :
a. Arus medan Pilot Exciter yang melewati sikat, bisa ditap untuk diamati.
Arus ini akan membesar kalau ada gangguan kumparan rotor.
39
b. Gangguan Kumparan rotor menimbulkan vibrasi yang bisa dideteksi
oleh detektor vibrasi.
8). Gangguan dalam mesin penggerak
Gangguan-gangguan yang demikian adalah :
a. Tekanan minyak pelumas terlalu rendah
b. Suhu air pendingin atau suhu bantalan terlalu tinggi
c. Daya balik,
Adakalanya gangguan dalam mesin penggerak generator memerlukan
tripnya PMT Generator.
9). Suhu Tinggi
a. Suhu tinggi bisa terjadi pada bantalan generator atau pada kumparan
stator.
b. Hal ini masing-masing di deteksi oleh relay suhu yang mula-mula
membunyikan
alarm
kemudian
mentripkan
PMT
generator
dan
memberhentikan mesin penggerak apabila yang bekerja adalah relay suhu
bantalan.
Penyebab Suhu Tinggi
a. Lilitan Stator, penyebabnya:

Beban Lebih

Beban tidak simetris, arus urutan negatif

Hubung singkat yang tidak terdeteksi
40

Penguatan Hilang / Lemah

Ventilasi kurang baik, hidrogin bocor

Kotoran / debu melekat pada lilitan
b. Kumparan Rotor, penyebabnya:

Beban stator tidak seimbang, arus urutan negatif

Hubung singkat yang tidak terdeteksi

Out of step

Ventilasi kurang baik, hidrogin bocor

Kotoran / debu melekat pada lilitan
c. Bantalan Generator, penyebabnya:

Pelumasan kurang lancar, tekanannya kurang tinggi

Kerusakan pada bagian yang bergeseran
10). Tekanan minyak terlalu rendah
a. Tekanan minyak pelumas yang terlalu rendah bisa merusak bantalan,
oleh karenanya jika hal ini terjadi Mesin Penggerak perlu segera
dihentikan melalui proses alarm terlebih dahulu apabila tekanan ini turun
secara bertahap
b. Berhentinya Mesin Penggerak harus bersamaan dengan tripnya PMT
Generator
41
11). Relay Over Fluks
Relay ini mengukur besaran volt per Hertz. Tegangan imbas volt
dalam suatu kumparan adalah sebanding dengan kerapatan fluks dan
frekwensi. Over fluks bisa terjadi pada Tegangan normal tetapi frekwensi
rendah. Hal semacam ini bisa terjadi pada saat menstart generator dimana
frekwensi masih rendah, karena putaran Generator masih rendah, tetapi
sudah ada arus penguat dari exciter. Kerapatan fluks yang tinggi ini akan
menimbulkan arus pusar yang tinggi sehingga timbul pemanasan
berlebihan dalam inti generator dan dalam inti trafo penaik tegangan.
Begitu pula dengan rugi histerisis yang menjadi makin tinggi
Apabila kerapatan fluks magnetik tinggi, hal ini ikut menambah
pemanasan inti stator. uap atau turbin air dengan melalui Alarm terlebih
dahulu. Untuk Turbin Gas masalahnya sama dengan untuk Turbin Uap.
Tabel 4.1 Relai proteksi dan fungsinya
42
Tabel 4.2 Relai proteksi dan fungsinya (lanjutan)
12). Putaran Lebih
a. Apabila PMT generator trip, maka akan terjadi putaran lebih yang
membahayakan generator dan mesin penggeraknya.
b. Untuk ini diperlukan relay putaran lebih yang memberhentikan mesin
penggerak.
13). Tegangan Lebih
a. Apabila PMT generator trip, maka bisa terjadi tegangan lebih.
b. Untuk ini diperlukan relay tegangan lebih.
4.4. Prosedur Pengoperasian Sinkronisasi Generator
Dalam pengoperasian sinkronisasi generator harus dijalankan sesuai
prosedur yang ada. Secara umum prosedur pengoperasiannya dibagi
menjadi empat tahapan, yaitu :
43
4.4.1.
Tahap Persiapan
ALTRAK 1978 sangat memperhatikan keselamatan pekerjanya.
Oleh karena itulah dalam tahap persiapan ini, pekerja yang akan
menjalankan sinkronisasi generator harus memakai peralatan safety
terlebih dahulu. Peralatan safety yang digunakan antara lain, baju FRC,
safety shoes, safety glas, safety helmet dan ear plug.
Sebelum
dilakukan prosedur pemeriksaan generator secara
keseluruhan, perlu memastikan bahwa sistem tidak dialiri listrik dengan
membuka disconnecting switch . Hal-hal yang perlu diperhatikan sebelum
mengoperasikan generator set, yaitu :
1) Sistem start
2) Sistem pelumasan
3) Sistem pendingin
4) Sistem bahan bakar
5) Sistem kontrol
6) Sistem proteksi
7) Sistem interlock
8) Sistem Pembuangan
Bila pemeriksaan sistem di atas dalam kondisi yang baik, maka
generator dalam kondisi siap untuk dijalankan
44
4.4.2.
Tahap Menjalankan Generator
Pada tahap menjalankan generator sinkron, mesin generator tidak
dapat langsung dijalankan dengan kecepatan tinggi melainkan dengan
putaran rendah terlebih dahulu kemudian putaran dinaikkan sampai ke
putaran nominal yaitu 1500 rpm. Kontrol kecepatan dapat dilakukan
dengan mengatur speed control yang terdapat pada panel generator.
Setelah kecepatan putar mesin mencapai putaran nominal, perlu dilakukan
pengecekan terhadap parameter yang ada pada unit tersebut agar berada
dalam keadaan normal. Pengecekan yang dilakukan yaitu frekuensi dan
tegangan output dari generator. Pada keadaan normal frekuensi dari
generator sebesar 50-60 Hz, sedangkan tegangan output sebesar 4160 Volt.
4.4.3.
Tahap Pembebanan
Setelah generator berputar pada kecepatan normal dan dalam
kondisi baik, maka siap dilakukan hubungan parallel antar generator guna
memenuhi kebutuhan listrik. Beberapa alasan pentingnya interkoneksi
antara beberapa generator antara lain:

Mengurangi installed capacity dari stand by unit

Memungkinkan pembagian beban secara ekonomis diantara beberapa
generator.

Menjamin kontinuitas ketersedian listrik.
Proses interkoneksi antara generator satu dengan yang lain atau
dengan busbar disebut dengan “synchronising”. Pada proses interkoneksi
45
yang dilakukan pada generator sinkron dengan metode synchronoscope.
Metode ini digunakan untuk memastikan bahwa generator-generator yang
di parallel telah memenuhi syarat dari hubungan parallel generator, yaitu:

Generator yang dihubungkan parallel harus mempunyai tegangan
yang sama dengan busbar.
Untuk melakukan operasi paralel generator maka dilakukan tahap
sinkronisasi terlebih dahulu. Beberapa parameter yang harus sama untuk
syarat sinkronisasi adalah:
1. Tegangan
2. Frekuensi
3. Urutan Fasa
Dengan berkembangnya teknologi maka proses sinkronisasi dapat
dilakukan secara otomatis pada synchronizing panel. berikut gambar
dibawah ini merupakan diagram sederhana dari alur proses sinkronisasi.
Gambar 4.3 Proses sinkronisasi generator
46

Phasa dari tegangan generator sama dengan phasa dari busbar
Untuk mengetahui sinkronisasi pada urutan dan beda fasa maka dapat
dilakukan dengan metode lampu gelap-terang. Ketika urutan dan beda fasa
sudah sinkron dapat dilihat pada nyala lampu untuk L1 dan L2 nyala
terang, dan L3 gelap. Berikut diagram vektor dari urutan fase dan proses
nyala ketiga lampu tersebut.
Gambar 4.4 Proses sinkronisasi pada urutan dan beda fasa

Tegangan generator dan busbar mempunyai frekuensi yang sama.
Tegangan dan frekuensi dari generator yang akan diparalel harus
bernilai sama mendekati rating bus pada generator yang telah beroperasi.
Untuk memasukkan saklar sinkronisasi maka dapat melihat jarum pada
synchroscope tersebut dalam posisi 0 atau arah jarum jam 12. Ini
membuktikan
bahwa
selisish
frekuensi
telah
bernilai
0.
Untuk
mensinkronasikan nilai dari tegangan antara generator yang akan diparalel
maka dilakukan dengan mengatur sistem eksitasinya. Apabila tegangan
generator lebih tinggi dari tegangan rating bus di sistem, maka generator
47
akan mengalami sentakan beban M Var lagging (induktif), pada kondisi
ini generator mengirim daya reaktif ke sistem. Sebaliknya jika tegangan
generator lebih rendah dari pada tegangan sistem, mesin akan mengalami
sentakan beban M Var Leading (kapasitif), artinya generator menyerap
daya reaktif dari sistem (loss of field). Berikutnya untuk Frekuensi
generator juga harus bernilai sama dengan frekuensi sistem pada bus.
Untuk mensinkronasikan frekuensi dilakukan dengan cara mengatur katup
governor untuk mengatur putaran generator tersebut. Jika frekuensi
generator lebih tinggi dari pada frekuensi sistem, sistem akan mengalami
sentakan beban MW dari generator, artinya mesin membangkitkan dan
mulai menyalurkan daya aktif (MW). Sebaliknya jika generator
frekuensinya lebih rendah dari pada sistem, mesin akan mengalami
sentakan MW dari sistem, artinya generator akan beroperasi menjadi
motor (motoring).
48
Gambar 4.5 Synchroscope
1.
Pastikan bahwa breaker dari generator yang akan diparalel (incoming
generator) dalam keadaan terbuka, atau dengan kata lain incoming
generator terisolasi dengan sistem.
2.
Pastikan
AVR
(Automatic
Voltage
Regulator)
dalam
keadaan“Automatic”, bukan manual.
3.
4.
Start Prime mover sampai pada spesifikasi putaran tanpa beban.
Gunakan governor control untuk mengeset frekwensi Incoming
Generator lebih tinggi 1/10 dari frekwensi sistem.
5.
Gunakan AVR untuk mengeset Tegangan Incoming Generator sama
atau lebih tinggi dari sistem.
6.
Gunakan Synchroscope pada incoming generator dan set frekwensi
incoming generator berputar perlahan lahan di daerah “Fast” mendekati 0.
49
7.
Tutup breaker incoming generator saat 1 sampai 2 derajat pada
synchroscope sebelum posisi 0. Dengan asumsi breaker mepunyai massa
lembam dengan demikian penutupan breaker tepat pada angka 0 pada
synchroscope.
8.
9.
Matikan synchroscope
Dengan governor control, buat perpindahan beban ke incoming
generator secara perlahan – lahan.
10.
Jika power faktor yang terbaca antara 2 generator atau lebih
yangdiparalel tidak sama maka, set AVR masing – masing generator
sampai power faktor setiap generator mendekati sama.
4.4.4.
Tahap Menghentikan Generator
Pada tahap mematikan generator tidak dapat langsung mematikan
mesin secara tiba-tiba. Generator harus dilepaskan dahulu dari hubungan
parallel dan bebannya harus diturunkan terlebih dahulu secara perlahanlahan, kemudian biarkan mesin bekerja tanpa beban untuk memberikan
kesempatan pada mesin menyesuaikan temperatur kerja seiring dengan
penurunan kecepatan putar dari mesin. Setelah generator berhenti,
dilakukan pemeriksaan untuk menjamin keandalan mesin bila generator
beroperasi kembali.
50