Proteksi Ground Fault Untuk Sistem 11 kV Multiple Bus yang...

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

1

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.

I. PENDAHULUAN

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

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. 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.

2. Tegangan 11 KV.

Tegangan ini berada di daerah outgoing dari

generator-generator yang ada.

3. Tegangan 6 KV.

4. 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 masing-

masing transformator berkapasitas 2 MVA.

5. Tegangan 0.4 KV.

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]

S


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

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 Sekunder

KV MVA

1 1APC-XF-1 11 0.4 2

2 1APC-XF-2 11 0.4 2

3 1APD-XF-1 11 3.37 2

4 1APD-XF-2 11 3.37 2

5 1APF-XF-1 11 20 20

6 100-TF-101 11 6 15

7 100-TF-201 11 6 15

8 200-TF-001 11 6 5

9 300-TF-001 11 6 15

10 400-TF-001 11 6 15

11 420-TF-001 11 0.4 6.455

12 420-TF-002 11 0.4 6.455

13 420-TF-0033 11 0.4 2

14 TR-PLN 150 20 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 Rating

Tegangan

Hubungan

Belitan Pentanahan

1

Generator

1TGK-CTG-1 11 kV Bintang

NGR 100 A

(63.5085 Ω)

2

Generator


NGR 100 A

(63.5085 Ω)

3

Generator


NGR 100 A

(63.5085 Ω)

4

Generator HV

1TGA-STG-1 11 kV Bintang

NGR 100 A

(63.5085 Ω)

5

Generator HV

1TGA-STG-2 11 kV Bintang

NGR 100 A

(63.5085 Ω)

6

Generator HV

1TGG-GEG-1 11 kV Bintang

NGR 100 A

(63.5085 Ω)

7

Generator HV

1TGG-GEG-2 11 kV Bintang

NGR 100 A

(63.5085 Ω)

8

Transformator

1APC-XF-2 11 kV Delta - Bintang

NGR 77 A

(2.99922 Ω)

9

Transformator

1APD-XF-1 11 kV Delta –Bintang NGR 77 A

(24.7436 Ω)

10

Transformator

1APF-XF-1 11 kV Bintang –Delta

NGR 12.7 A (500

Ω)

11

Transformator

TR-PLN 150 kV Delta –Bintang

NGR 100 A

(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

No. Nama

Generator

Kapasitas

Daya Keterangan

1 1TGK-CTG-1 9.07 MW

11 kV; 80% pf; 11.338

MVA; 4 pole; Voltage

Control

2 1TGK-CTG-2 9.07 MW

11 kV; 80% pf; 11.338

MVA; 4 pole; Voltage Control

3 1TGK-CTG-3 9.07 MW 11 kV; 80% pf; 11.338 MVA; 4 pole; Voltage

Control

4 1TGA-STG-1 9 MW

11 kV; 85% pf; 10.588


Control

5 1TGA-STG-2 9 MW

11 kV; 85% pf; 10.588


Control

6 1TGG-GEG-1 3 MW

11 kV; 80% pf; 3.75

MVA; 4 pole; Voltage Control

7 1TGG-GEG-2 3 MW 11 kV; 80% pf; 3.75 MVA; 4 pole; Voltage

Control

8 PLN Utility 4.636 MW 150 kV; 800 MVAsc;

Swing


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.

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 = 3𝑉𝑁

𝑍1+𝑍2+𝑍0+3𝑍𝑁 [8]

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 Peralatan Rating

Tegangan

Hubungan

Belitan Pentanahan

1 Generator 1TGK-CTG-1

11 kV Bintang NGR 100 A (63.5085 Ω)





4 Generator HV 1TGA-STG-1


5 Generator HV 1TGG-GEG-1


8 Transformator 1APF-XF-1

11 kV Bintang –Delta 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 ;


4

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 Pentanahan Ratio CT

1 1TGK-CTG-1 NGR

(100A) 100:5

2 1TGK-CTG-2 NGR

(100A) 100:5

3 1TGK-CTG-3 NGR

(100A) 100:5

4 1TGA-STG-1 NGR

(100A) 100:5

6 1TGA-STG-2 NGR

(100A) 100:5

7 1TGG-GEG-1 NGR

(100A) 100:5

1. Kabel Penghubung CT ke Rele Diferensial

Penghantar yang menghubungkan CT ke rele

diferensial menggunakan standart Sil.0210-

78/SPLN.VDE 0271.

Diameter : 4 mm²

Resistansi : 4.56 Ω/km

Panjang kabel dari rele ke CT = 5 m

Maka :

Resistansi per meter =4.56

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;

P = VA

Dimana; P = Daya (VA)

I = Arus sekunder CT (A)

R = Resistansi (Ω)

Tabel 3.2 Resistansi CT Pada Setiap Generator

3. 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% [6]

Gambar 3.3. Kurva Karakteristik Eksitasi CT [6]

No. Nama

Generator Ratio CT

Daya

(VA)

Arus

(A)

Resistansi

(Ω)

1 1TGK-CTG-1

100:5 3 5 0.12

2 1TGK-CTG-2

100:5 3 5 0.12

3 1TGK-CTG-3

100:5 3 5 0.12

4 1TGA-STG-1

100:5 3 5 0.12

6 1TGA-STG-2

100:5 3 5 0.12

7 1TGG-GEG-1

100:5 3 5 0.12


5

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

Tap = 𝐼𝑃𝑃

𝐶𝑇 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟

Tabel 3.3 Setting Rele Arus Lebih Gangguan Ke Tanah

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

Rele CT Curve

Time

Delay

(s)

Rele 52-2

GE Multilin F60 50/5 Definite 0.7

Rele 15


Rele 16


Rele 17


Rele 18


R_52_16


Rele 13



6

ada arus hubung singkat generator tidak terkena arus

kontribusi hubung singkat atau dapat trip lebih dahulu.

E. Setting Ground Directional Overcurrent Relay

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

Tap = 𝐼𝑃𝑃

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 1APF-

XF-1, sedangkan untuk setting arus menuju trafo

menggunakan setting dari generator.

Tabel 4.2 Ringkasan Setting Rele Arah

Nama

Rele

CT

Setting Arus

Menuju Trafo

Setting Arus

Meninggalkan

Trafo

𝐼𝑆𝑒𝑡𝑡

(A)

Td

(50N)

T

(67N) 𝐼𝑆𝑒𝑡𝑡

(A) Td

(50N)

Rele 19 50/5 0.06 0.7s 0.1s 0.06A 0.7s

KESIMPULAN

1. 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).

2. 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.

3. 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.

4. 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. 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

Proteksi Ground Fault Untuk Sistem 11 kV Multiple Bus yang...

Documents

Transcript of Proteksi Ground Fault Untuk Sistem 11 kV Multiple Bus yang...