Posted in Artikel

Sistem Proteksi Generator Sinkron Berkapasitas Besar Berdasarkan standar IEEE Std 242-2001

IEEE Std 242-2001 membagi sistem proteksi generator sinkron menjadi 3 jenis dilihat dari kapasitas generatornya. Semakin besar kapasitas generator, semakin banyak pula peralatan proteksi yang digunakan. Skema proteksi yang direkomendasikan bagi generator berdasarkan kapasitasnya:

  1.  Kecil (sebagai contoh: 1000 KVA maksimum hingga 600V; 500 KVA maksimum diatas 600V)
  2. Medium (sebagai contoh: dari kapasitas generator kecil hingga 12 500 KVA tanpa memperhatikan tegangan)
  3. Besar (sebagai contoh: dari kapasitas generator medium hingga kurang lebih 50 000 KVA)

Biasanya dalam suatu Industri besar menggunakan generator  yang berkapasitas besar. Untuk Generator Kapasitas Besar, Proteksi yang direkomendasikan berupa:

  •  51V, backup overcurrent relay (baik voltage restrained maupun voltage controlled)
  •  51G, backup ground time-overcurrent relay
  • 87, differential relay (sebagai contoh high-speed variable-percentage)
  • 87G, ground differential relay (sebagai contoh directional product)
  • 40, impedance relay (sebagai contoh offset mho) untuk proteksi loss-of-field (dua element untuk sensitivitas yang lebih baik)
  • 46, negative-phase-sequence overcurrent relay untuk proteksi melawan kondisi tidak seimbang
  • 49, temperature relay untuk mengawasi temperatur kumparan stator
  •  64, generator field ground relay
  •  60, voltage-balance relay

Capture

Gambar Typical protective relay scheme untuk generator berkapasitas besar

  • Time Overcurrent voltage-restrained relay (51V)

Rele ini berfungsi untuk memberikan proteksi back-up terhadap gangguan eksternal

  • Backup ground time-overcurrent relay (51G )

Rele ini bertanggung jawab untuk memberikan proteksi back-up terhadap gangguan eksternal, yang berarti ketika rele 50G tidak melindungi generator dari gangguan eksternal maka Rele Ground time-overcurrent (Device 51G) akan memproteksi generator.

sss

Gambar Proteksi generator dengan Ground Time Overcurrent Relay

Ketika gangguan terjadi di dekat terminal generator ,besar kemungkinan akan terjadi kerusakan serius pada generator akibat dari arus gangguan yang besar dan berkepanjangan, terutama ketika gangguan tanah terjadi di dekat terminal generator. Kerusakan ini dapat dikurangi dengan menggunakan rele instantaneous ground overcurrent (50G). Rele instantaneous akan mendeteksi gangguan yang terjadi dekat netral generator. Hal ini juga dapat memberikan proteksi back-up untuk gangguan pada feeder.

  • Differential Relay (87)

Rele Differential (Device 87) akan memberikan kemampuan untuk mendeteksi gangguan tanah yang paling dalam, tergantung pada besarnya arus gangguan tanah. Jika maksimum arus gangguan tanah di bawah pick-up Rele Differential, Rele Differential tidak akan memberikan perlindungan terhadap gangguan tanah tersebut.

Capture

 Gambar skema proteksi generator dengan differential relay

  •  Ground Differential  Relay (87G)

Rele diferensial dapat mendeteksi gangguan fase ke fase pada stator. Selain itu juga dapat digunakan untuk mendeteksi gangguan satu fase ke tanah, tergantung dari seberapa jauh titik gangguan dari terminal netral. Arus diferensial ke tanah dibutuhkan untuk mendeteksi gangguan satu fase ke tanah yang terjadi di dekat terminal netral (5% – 10% dari ujung kumparan netral). Rele diferensial tidak bisa mendeteksi gangguan antarbelitan di fase yang sama. Pengaturan sebesar 0,3 A dan kemiringan 10% akan memberikan proteksi yang sensitif dan dapat mencegah terjadinya salah operasi saat ada gangguan luar karena kesalahan rasio CT. Pengaturan kemiringan mungkin bisa lebih tinggi (misal 20%) jika rele tidak otomatis meningkatkan kemiringannya pada arus yang lebih tinggi untuk mencegah terjadinya salah operasi karena saturasi CT. Rele ini biasanya tidak menggunakan tunda waktu. Namun, jika saturasi CT dapat terjadi ketika gangguan eksternal, tunda waktu diperlukan agar tidak terjadi salah operasi selama keadaan transien. IEEE 242 merekomendasikan agar zona proteksi rele diferensial juga mencakupi breaker generator.

Capture

 Gambar skema proteksi generator dengan ground differential relay

  • Loss of field Relay (40)

Perangkat ini dapat mendeteksi ketika sistem eksitasi generator hilang. Proteksi ini penting ketika generator sedang beroperasi secara paralel, meskipun tidak dibutuhkan unit isolasi single. Sumber dari eksitasi untuk generator bisa secara penuh ataupun sebagian (parsial) melalui peristiwa seperti trip tanpa disengaja dari breaker, rangkaian medan terbuka, atau hilangnya suplai menuju sistem eksitasi. Apapun penyebabnya hilangnya sistem eksitasi dapat menyebabkan masalah baik bagi generator maupun sistem.                             Ketika generator kehilangan eksitasinya, generator tersebut akan overspeed dan beroperasi sebagai sebuah generator induksi. Secara kontinyu menyuplai beberapa daya ke sistem dan menerima eksitasi dari sistem dalam bentuk VAR. Pada umumnya, kondisi terberat bagi generator dan sistem adalah ketika generator kehilangan eksitasi ketika beroperasi pada beban penuh. Untuk kondisi ini, arus pada stator dapat mencapai lebih dari 2 per unit. Karena generator kehilangan sinkronisasi, level slip yang tinggi dapat terinduksi di rotor. Level arus yang tinggi ini menyebabkan pemanasan lebih yang berbahaya bagi kumparan stator dan rotor dalam waktu yang singkat.   Terdapat setidaknya 3 tipe peralatan proteksi yang dapat memberikan proteksi terhadap masalah hilangnya eksitasi pada generator. Masing-msaing tipe memiliki perbedaan biaya relatif, pengaplikasian yang kompleks, dan tingkat perlindungan yang ditawarkan. Pemilihan tipe yang digunakan haruslah berdasakan pada aplikasi, faktor pertimbangan seperti biaya generator, biaya rele, dan seberapa penting keluaran generator.

a) Rele jarak (distance relay)

   Rele jarak (distance relays) memerlukan masukan arus dan masukan tegangan, yang diperoleh pada lokasi rele, yaitu pada pangkal atau pada ujung sumber pengiriman daya. Kedua besaran tersebut dibandingkan untuk mendeteksi adanya gangguan pada sistem, yang pada umumnya ditandai dengan kenaikan nilai arus serta penurunan tegangan kalau terjadi hubung singkat. Karena arus dan tegangan diukur hanya dari satu ujung (yaitu ujung pengirim), maka tidak diperlukan kawat pilot (tidak seperti pada rele diferensial untuk saluran), dan merupakan sistem non-unit, seperti arus lebih, jadi dapat memberikan proteksi backup terhadap rele lain.
Rele jarak banyak dipakai untuk proteksi saluran subtransmisi dan saluran transmisi karena kecepatannya yang tinggi, sebuah persyaratan untuk dapat mempertahankan stabilitas sistem ketika terjadi hubung singkat. Kinerja rele jarak ada bermacam-macam, sehingga dapat dipilih sebuah atau gabungan beberapa kinerja yang paling tepat, baik sensitivitas maupun stabilitas kerja relenya. Hasilnya adalah sebuah proteksi yang dapat memberikan proteksi utama yang akurat dan cepat seperti pada rele diferensial tetapi tidak memerlukan kawat pilot, dan dapat memberikan proteksi backup yang lebih baik dibandingkan rele arus lebih. Rele jarak juga memungkinkan tutup-balik otomatis (autoreclosing) diterapkan pada saluran yang membutuhkannya.Terdapat 2 rele jarak yang umum digunakan untuk mendeteksi masalah berkaitan dengan hilangnya eksitasi, adapun yang pertama adalah rele jarak offset mho.

Capture
Gambar  Karakteristik rele impedans loss-of-field menggunakan rele jarak offset mho

Kondisi saat generator beroperasi pada beban penuh direpresentasikan oleh titik A. Ketika hilangnya eksitasi, mungkin disebabkan terjadi hubung singkat pada kumparan, maka generator tersebut akan menyerap daya reaktif dari saluran sebagai pengganti eksitasi yang hilang. Hal tersebut menyebabkan generator bersifat leading, selain itu arus pada stator akan bertambah bahkan bisa melebihi batas kemampuannya. Jika dilihat dari gambar diatas adanya reaktans negatif akibat generator menyerap daya reaktif menjadikan titik A yang semula pada kuadran pertama berpindah pada kuadran keempat dan memasuki batas saat rele offset mho bekerja. rele mho tersebut memiliki 2 zona berupa lingkaran, yang mana biasanya zona yang lebih besar merupakan zona ketika rele menyadari adanya gangguan loss of field dan memberikan alarm untuk memberi tahu operator untuk mengambil langkah tepat dalam mengatasi gangguan, sementara zona yang kecil merupakan saat ketika rele mho menyadari gangguan dan langsung men-trip-kan breaker. Adapun rele jarak kedua yang sering digunakan adalah kombinasi dari rele impedans, rele direksional, dan rele undervoltage yang diaplikasikan pada terminal generator dan diatur untuk memperhatikan mesin. Rele impedans (Z2) dan rele direksional diatur untuk berkoordinasi dengan membatasi eksitasi minimum generator dan batas steady state. Selama kondisi eksitasi rendah, contohnya terjadi kegagalan membatasi eksitasi minimum, unit ini beroperasi dan membunyikan alarm untuk memperingati operator melakukan tindakan yang tepat untuk mengembalikan kondisi menjadi semula.

Capture
Gambar Proteksi loss-of-excitation menggunakan rele impedans, direksional, dan undervoltage

Berbeda dengan rele offset mho yang hanya dapat mendeteksi gangguan loss of field, gabungan rele ini dapat mendeteksi ketika generator mulai mengalami undervoltage. Karena undervoltage yang merupakan salah satu indikasi terjadinya loss of field dapat segera dideteksi oleh rele impedans.

b) Rele reaktif (VAR)
c) DC undercurent relays

  • Negative Phase/Unbalance Overcurrent Relay (46)

Proteksi terhadap arus tak seimbang biasa menggunakan rele negativesequence overcurrent. Kemampuan generator dalam menahan arus tidak seimbang diperoleh dari produsen dan harus sesuai dengan IEEE Std C50.13.

  • Stator Temperature Relay (49S)

Suhu pada stator yang terus meningkat melebihi batas kemampuan
generator dapat membahayakan sebab bisa merusak isolasi di dalamnya. Oleh sebab itu diperlukan peralatan proteksi yang dapat menghidupkan alarm atau mentrip breaker jika suhu di dalam stator telah melebihi batas yang diperbolehkan. Alarm berguna sebagai peringatan bagi petugas untuk mengambil tindakan lain seperti memutus beban yang tidak seimbang, sebelum benar-benar men-trip
breaker.

Misal dalam suatu produsen generator memberikan pengaturan sebagai berikut.
Alarm : 150 derajat celcius
Trip : 160 derajat celcius
Ketika suhu stator mencapai suhu 150 derajat celcius, alarm akan berbunyi. Rele baru akan trip jika suhunya sudah mencapai 160 derajat Celcius.

  • Generator Earth Fault Relay (64)

Rele dengan tipe MCSU ini adalah rele yang dapat digunakan untuk mendeteksi arus gangguan tanah hingga 0.5% dari arus rated-nya. Dengan adanya tunda waktu memungkinkan bagi rele untuk tetap stabil selama proses switching maupun transien dan menyediakan cukup grading dengan sistem proteksi lainnya pada level arus gangguan yang tinggi. Rele akan reset pada saat arus berada di bawah level pickup yang diatur di atas arus residual maksimum. Rele dihubungkan dengan sekunder CT yang bagian primernya dicatu dari PT  di rangkaian pentanahan generator. Setelah mendeteksi gangguan tanah, rele ini akan menghidupkan alarm dan mengaktifkan
generator/turbine lockout (86GT) bila diperlukan.

  • Voltage Balance Relay (60V)

Rele ini digunakan untuk menghindari kemungkinan terjadinya salah
operasi pada rele-rele lain yang juga membutuhkan masukan tegangan, seperti rele jarak (21), reverse power (32), loss of field (40), negative-phase sequence (46) ,(89) atau rele overcurrent baik voltage-restrained maupun voltage-controlled (51V) karena adanya sekering VT yang putus. Sekering yang putus akan mengakibatkan adanya perubahan yang signifikan pada tegangan yang terukur, sehingga rele-rele tadi akan beroperasi di saat yang tidak diinginkan. Rele voltage-balance terhubung dengan alarm, memutus regulator tegangan dari sistem, dan memblok kemungkinan salah trip oleh rele proteksi yang kinerjanya dipengaruhi oleh perubahan tegangan. Rele ini juga akan memastikan peralatan instrumentasi tetap mendapatkan suplai meskipun ada sekering yang putus. Rele ini tidak
memerlukan perhitungan tertentu untuk pengaturannya, karena ia langsung beroperasi saat ada sekering VT yang putus.

Capture
Gambar skema proteksi rele voltage-balance

Sumber:

  1. IEEE Power & Energy Society. “IEEE recommended practice for protection and coordination of industrial and commercial power systems.” IEEE std. 242-2001 (Revision of IEEE std. 242-1986) [IEEE Buff Book], 2001
  2. Prabowo, Hartanto dan Rayyan, Laporan Kerja Praktik Studi Proteksi Generator Sinkron MGT 9 PT. Chevron Pacific Indonesia Distrik Minas, Universitas Gadjah Mada, 2013
  3. Stalony, Veby Enandes, Laporan Kerja Praktik Analisis Stator Ground Fault Generator Sinkron GENP 20 MW Pabrik-4 PT Pupuk Kalimantan Timur,Universitas Gadjah Mada,2014

Oleh : Veby Enandes Stalony (2010)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s