Procedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 1 dari 12

REAKTANSI

TEGANGAN

INTERNAL

INERSIAINERSIA

PM MG X

SL

Analisis Stabilitas Transien dan Pelepasan Beban Sistem Kelistrikan di

PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III Plaju-Sungai Gerong, Palembang

Defariza, Adi Soeprijanto, Vita Lystianingrum Budiharto Putri

Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya - 60111, Email : defa88.elect.eng@gmail.com

Abstrak: PT. PERTAMINA (Persero) R.U. III

merupakan salah satu dari tujuh unit pengolahan yang

dimiliki oleh PT. PERTAMINA (Persero) yang berada di daerah Plaju - Sungai Gerong, Palembang, Sumatera

Selatan. Tugas utamanya adalah mengolah minyak

mentah dan gas menjadi produk BBM dan non-BBM.

Untuk menunjang kegiatan operasional tersebut,

PT.PERTAMINA (Persero) R.U. III mengoperasikan 3

unit Gas Turbine Generator dengan kapasitas sama

masing-masing sebesar 31 MW, dengan kondisi normal

2 unit beroperasi dan 1 unit keadaan standby. 1 unit

Steam Turbine Generator sebagai supply cadangan

apabila dalam keadaan darurat terjadi gangguan pada 3

unit GTG utama. Kemudian, 1 unit Diesel Turbine

Generator juga sebagai Secure System yang meliputi penerangan, kontrol motor-motor, UPS dan kebutuhan

lokal di kilang. Kapasitas total beban listrik yang

dipergunakan rata-rata sebesar 26.87 MW. Pada tugas

akhir ini difokuskan pada Analisis Stabilitas Transien

yang meliputi kestabilan tegangan dan kestabilan

frekuensi, serta pelepasan beban (load shedding) saat

terjadi gangguan generator lepas/trip, starting motor

berkapasitas besar (penambahan beban berkapasitas

besar secara tiba-tiba), hubung singkat (short ciruit)

pada sisi beban, dan hilangnya eksitasi pada

pembangkit (loss of excitation) dengan menggunakan bantuan software ETAP 4.0.0 Power Station.

Kata Kunci : Stabilitas transien, pelepasan beban

I. PENDAHULUAN

Dalam sistem tenaga listrik dibutuhkan

keseimbangan antara daya mekanik (prime mover)

dengan daya elektrik (beban listrik). Besar dari daya

elektrik ini terus berubah-ubah sesuai dengan

kebutuhan. Setiap perubahan daya elektik beban listrik

harus diikuti dengan perubahan daya mekanik berupa

perubahan daya pada penggerak awal generator. Jika

daya mekanik pada poros penggerak awal tidak dengan segera menyesuaikan dengan besarnya daya elektrik

(beban listrik) maka frekuensi dan tegangan akan

bergeser dari posisi normal, hal ini akan membuat

sistem menjadi tidak stabil.

Suatu sistem tenaga listrik stabil apabila

besarnya produksi dan konsumsi daya listrik seimbang

dan kecepatan respon dari peralatan-peralatan

kontrolnya memadai. Tetapi kenyataannya selalu terjadi

perubahan-perubahan yang menyebabkan terjadinya

fluktuasi yang harus dikompensasi. Adanya governor

pada turbin dan regulator tegangan diharapkan dapat

mengembalikan tegangan dan frekuensi ke posisi

normal atau masih dalam batas-batas yang dapat

diterima. Tetapi apabila berkurangnya jumlah pembangkitan lebih besar lagi maka turunnya frekuensi

dan tegangan akan makin cepat sehingga dapat

mencapai harga yang relatif rendah hanya dalam waktu

yang sangat singkat. Governor dan regulator tegangan

yang ada tidak sempat bekerja sehingga tidak dapat

membantu memperbaiki keadaan sistem, maka

dilakukanlah skema pelepasan beban (load shedding).

II. DASAR TEORI

2.1 Kestabilan Sistem Tenaga Listrik Setiap generator beroperasi pada kecepatan

sinkron dan frekuensi yang sama. Sementara

keseimbangan antara daya input mekanis pada

penggerak mula (prime mover) dan daya output elektris

(beban listrik) dipertahankan. Pada keadaan ini

generator berputar pada kecepatan sinkron. Jika terjadi

gangguan, maka sesaat akan terjadi perbedaan yang

besar antara daya input mekanis dan daya output

elektris dari generator. Ketidakseimbangan antara daya

yang dibangkitkan dengan beban yang ditanggung akan

menyebabkan rotor dari mesin sinkron berayun akibat adanya torsi dan berakibat putaran rotor akan semakin

cepat atau semakin lambat, frekuensi dan tegangan

sistem pun meningkat atau sebaliknya. Bila gangguan

ini tidak dapat dihilangkan dengan segera, maka terjadi

percepatan atau perlambatan putaran rotor generator

yang akan mengakibatkan hilangnya sinkronisasi dalam

sistem.

Kestabilan sistem tenaga listrik dapat

didefinisikan sebagai kemampuan dari sistem untuk

menjaga kondisi operasi yang seimbang dan

kemampuan sistem tersebut untuk kembali ke kondisi

operasi normal ketika terjadi gangguan.

2.2. Masalah Stabilitas Sistem Tenaga Listrik

Faktor-faktor utama dalam masalah stabilitas

adalah:

Gambar 2.1.. Diagram faktor-faktor utama dalam masalah

kestabilan

Procedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 2 dari 12

1. Faktor mekanis dapat berupa:

a. Torsi input prime mover.

b. Inersia dari prime mover dan generator.

c. Inersia motor dan sumbu beban.

d. Torsi input sumbu beban.

2. Torsi elektris berupa: a. Tegangan internal dari generator sinkron.

b. Reaktansi sistem.

c. Tegangan internal dari motor sinkron.

Berdasarkan sifat dan besarnya gangguannya, masalah

stabilitas dalam sistem tenaga listrik dibedakan atas,

stabilitas mantap (steady state), stabilitas peralihan

(transient), dan stabilitas dinamis (dynamic).

2.2.1 Stabilitas Mantap (steady state)

Stabilitas steady-state merupakan kemampuan

dari suatu sistem tenaga mempertahankan sinkronisasi antara mesin-mesin dalam setelah mengalami gangguan

kecil.

2.2.2 Stabilitas Peralihan (transient)

Stabilitas transient merupakan kemampuan dari

suatu sistem tenaga mempertahankan sinkronisasi

setelah mengalami gangguan besar yang bersifat

mendadak selama satu swing (yang pertama) dengan

asumsi bahwa pengatur tegangan otomatis (AVR) dan

governor belum bekerja.

2.2.3 Stabilitas Dinamis (Dynamic) Stabilitas dinamik terjadi bila setelah swing

pertama (periode stabilitas transient) sistem belum

mampu mempertahankan sinkronisasi sampai sistem

mencapai keadaan seimbang yang baru.

2.3. Dinamika Rotor dan Persamaan Ayunan

Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu

mesin serempak yang digerakan oleh penggerak mula

(prime mover) berdasarkan prinsip dasar dinamika yang

menyatakan bahwa momen putar percepatan

(accellerating torque) adalah hasil kali dari momen-momen kelembaman (moment of inertia) rotor dan

percepatan sudutnya. Persamaannya dapat ditulis dalam

bentuk:

J2

2

dt

d = Tm –T e =T…………………….(2.1)

dimana:

J = Momen inersia total dari massa rotor (kg-m2) θ = Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu

sumbu yang diam (rad)

t = Waktu (detik)

Tm = Torsi mekanik dari penggerak mula (Nm)

Te = Torsi listrik output generator (Nm)

2.4. Pelepasan Beban (Load Shedding)

Jika terjadi gangguan dalam sistem yang

menyebabkan daya yang tersedia tidak dapat melayani

beban, maka untuk mencegah terjadinya collapse pada

sistem perlu dilakukan pelepasan beban. Kondisi jatuhnya salah satu unit pembangkit dapat dideteksi

dengan adanya penurunan frekuensi sistem yang drastis.

Grafik perubahan frekuensi sebagai fungsi waktu

setelah pelepasan beban dapat dilihat pada grafik

berikut:

Gambar 2.2. Grafik Perubahan Frekuensi

Pada saat t=tA ada unit pembangkit yang jatuh

sehingga menyebabkan frekuensi menurun. Turunnya

frekuensi dapat menurut garis 1, 2 atau 3. Makin besar

unit pembangkit yang jatuh (daya yang tersedia hilang)

makin cepat pula frekuensi menurun. Kecepatan

menurunnya frekuensi juga tergantung kepada besar

kecilnya inersia sistem. Makin besar inersia sistem,

makin kokoh sistemnya, makin lambat turun frekuensinya.

Pada gambar 2.2 dimisalkan bahwa frekuensi

menurun mengikuti garis 2, setelah mencapai titik B

dilakukan pelepasan beban tahap pertama oleh UFR

(Under Frequency Relay) yang bekerja setelah

mendeteksi frekuensi sesuai setting sebesar FB. Dengan

adanya pelepasan beban tahap pertama maka penurunan

frekuensi berkurang kecepatannya sampai di titik C

UFR mendeteksi frekuensi sebesar Fc dan akan

melakukan pelepasan beban tahap kedua. Setelah

pelepasan beban tahap kedua, frekuensi sistem tidak lagi menurun tapi menunjukkan gejala yang baik yaitu

naik kembali menuju titik D. Naiknya frekuensi dari

titik C menuju titik D disebabkan karena daya yang

masih tersedia dalam sistem adalah lebih besar daripada

beban setelah mengalami pelepasan beban tahap kedua.

Mulai dari titik D, yaitu setelah proses tersebut di atas

berlangsung selama tD. Governor unit pembangkit

dalam sistem melakukan pengaturan primer.

tD berkisar sekitar 4 detik. Periode sebelum

governor melakukan pengaturan primer disebut periode

transient dan ini berlangsung selama kira-kira 4 detik.

Setelah governor melakukan pengaturan primer, maka frekuensi mencapai titik EF yaitu kondisi pada titik E.

Keampuan governor melakukan pengaturan primer

sangat tergantung kepada besarnya spinning reserve

yang masih tersedia dalam sistem. Seandainya unit-unit

pembangkit yang masuk (paralel) ke dalam sistem

mempunyai kemampuan pembangkitan 100 MW tetapi

bebannya baru 70 MW maka dikatakan bahwa spinning

reserve masih 100-70 = 30 MW. Setelah mencapai titik

E masih ada deviasi frekuensi sebesar F terhadap

frekuensi yang diinginkan yaitu Fo dan deviasi ini

dikoreksi dengan pengaturan sekunder yang dimulai

Procedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 3 dari 12

pada titik F dan frekuensi menjadi normal kembali pada

titik G.

Apabila unit pembangkitan yang jatuh tidak

begitu besar mungkin penurunan frekuensi tidak pernah

mencapai nilai FC sehingga dalam hal ini pelepasan

beban tingkat pertama saja sudah cukup untuk menghindarkan sistem menjadi collapsed. Dalam

praktek pelepasan beban (load shedding) dilakukan

dengan memasang UFR pada berbagai feeder distribusi

yang dipilih menurut kondisi setempat. Feeder diberi

UFR. Jumlah UFR harus sedikitnya cukup melepas

beban sebesar unit terbesar dalam sistem.

Standar yang digunakan untuk pelepasan beban ini ada

dua yaitu:

a. Load Shedding 3 Langkah (ANSI/IEEE C37

106-1987) Tabel 2.1. Load Sheeding 3 Langkah

b. Load Shedding 6 Langkah (ANSI/IEEE C37

106-1987) Tabel 2.2. Load Shedding 6 Langkah

III. SISTEM KELISTRIKAN PT.PERTAMINA

(Persero) R.U.III PLAJU-SUNGAI GERONG

3.1. Sistem Pembangkit Tenaga Listrik

PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III Plaju-

Sungai Gerong

PT. PERTAMINA (Persero) RU III Plaju –

Sungai Gerong memiliki 3 pusat pembangkit tenaga

listrik, yaitu :

Power Station I (PS I) yang terletak di Plaju.

Power Station II (PS II) yang terletak di Plaju.

Power Station III (PS III) yang terletak di

Sungai Gerong.

Akan tetapi pada saat ini pusat pembangkit tenaga

listrik yang dioperasikan untuk menunjang pasokan

kebutuhan listrik di PT.PERTAMINA (Persero) R.U.

III Plaju – Sungai Gerong hanya Power Station II (PS

II), sedangkan PS I dan PS III sudah tidak dioperasikan

lagi.

Power Station (PS II) memiliki 5 unit

pembangkit, yang terdiri atas: 3 unit Gas Turbine

Generator dengan kapasitas rating sama masing-masing

sebesar 31 MW (GTG 2015-UA,2015-UB dan 2015-

UC) dengan kondisi normal 2 unit (GTG 2015-UA dan

2015-UB) beroperasi dan 1 unit (GTG 2015-UC) keadaan standby, 1 unit Steam Turbine Generator (STG

2017-U) berkapasitas 3.2 MW digunakan sebagai

supply cadangan apabila dalam keadaan darurat terjadi

gangguan/kerusakan pada 3 unit GTG utama dan 1 unit

Diesel Turbine Generator (DTG 2016-U) berkapasitas

750 kW juga sebagai Secure System yang meliputi

penerangan, kontrol motor-motor, UPS dan kebutuhan

lokal di kilang. Berikut adalah data-data

pembangkitnya:

Tabel 3.1. Data Pembangkit di PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III

3.2. Sistem Distribusi Tenaga Listrik

PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III Plaju-

Sungai Gerong

Sistem jaringan distribusi tenaga listrik yang

digunakan di PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III Plaju-

Sungai Gerong adalah sistem jaringan radial ganda dan

sistem ring. Sistem radial ganda ini terdiri dari

sepasang sumber yang masuk atau sepasang trafo atau

sepasang feeder dari substation lain yang memiliki tipe

dan kapasitas yang sama serta terhubung dengan dua

buah substation yang identik juga, dimana dua

substation yang identik tersebut terhubung dengan

sebuah Normally Open Tie Circuit Breaker (Bus

Coupler atau Automatic Transformation Switch) satu dengan yang lainnya. Sistem ini sangat baik dalam

pelayanan terhadap beban yang membutuhkan

kontinuitas yang tinggi sebab apabila salah satu sumber

mengalami gangguan, maka supply daya dapat dilayani

dari sumber yang lain dengan menghubungkan Bus

Coupler. Oleh karenanya sistem ini dipakai pada

substation untuk melayani kebutuhan listrik di kilang.

Keuntungan dan kelebihan dari sistem distribusi

radial ganda dengan Bus Coupler adalah:

Meningkatkan kehandalan supply daya, yaitu

apabila salah satu incoming feeder mengalami gangguan maka supply daya akan

ditransfer ke feeder lain yang baik melalui

Bus Coupler yang segera menutup (close).

Memudahkan pekerjaan pemeliharaan

berjadwal dari peralatan utama sistem

distribusi tanpa memadamkan beban ataupun

memberhentikan operasi pada kilang.

Procedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 4 dari 12

Untuk sistem ring dipakai pada substation yang

melayani beban pemukiman (perumahan dan gedung-

gedung) yang berada pada kompleks PT.PERTAMINA

(Persero) RU.III Plaju-Sungai Gerong. Beban yang

ditanggung oleh sistem ring main unit ini tidak

mendekati beban penuh dari kapasitas trafo yang ada, sehingga apabila terjadi gangguan pada salah satu trafo

maka beban trafo yang mengalami gangguan tersebut

dapat ditanggung oleh trafo yang lainnya.

Pada sistem PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III

Plaju-Sungai Gerong tidak terdapat trafo step up untuk

menaikkan tegangan output dari generator. Akan tetapi

tegangan output generator langsung disalurkan ke

masing-masing bus beban. Dari tiap-tiap bus ini

tegangan akan diturunkan. Tegangan output generator

adalah 12 kV diturunkan dan langsung diturunkan

menjadi 6.9 kV maupun 0.4 kV tergantung tegangan beban motor yang beroperasi. Terdapat kurang lebih 96

unit trafo daya di PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III

Plaju-Sungai Gerong,Palembang.

Trafo distribusi yang ada di kilang Plaju dan

Sungai Gerong umumnya memiliki hubungan delta-wye

(D y 11) untuk distribusi ke Motor Control Centre

(MCC), Substation dan daerah lighting.

Saluran kabel distribusi yang terpasang di

Kilang Musi adalah saluran bawah tanah yang ditanam

langsung dalam parit jalur kabel. Untuk melindungi

terhadap pengaruh endapan minyak yang mengandung

asam dan solvent juga melindungi terhadap korosi, maka jenis kabel yang dipakai adalah N2XFGBy.

Untuk kabel yang ditanam melewati jalan umum, maka

saluran kabel yang ditanam dalam tanah tersebut diberi

pengaman dengan diselubungi pipa, untuk memperkecil

kemungkinan gangguan getaran yang terjadi.

3.3. Beban Tenaga Listrik PT.PERTAMINA

(Persero) R.U.III Plaju-Sungai Gerong

Beban tenaga listrik di PT. PERTAMINA

(Persero) RU III Plaju-Sungai Gerong terdiri dari:

- Motor-motor listrik yang digunakan sebagai penggerak peralatan-peralatan operasi pada

kilang, seperti penggerak pompa-pompa

kompresor. Umumnya tipe motor induksi

- Beban untuk lampu penerangan dalam kilang.

- Beban untuk listrik perkampungan.

Sebagian besar beban digunakan untuk beban industri

yang membutuhkan kontinuitas dan kehandalan yang

tinggi. Motor listrik yang digunakan sebagian besar

adalah motor listrik asynchronous (induksi). Tegangan

nominal motor ditentukan oleh besarnya kapasitas

motor yang bersangkutan. Motor-motor berkapasitas

kecil dapat menggunakan tenaga rendah di bawah 1 kV, sedangkan motor-motor berkapasitas besar

menggunakan tegangan menengah. Terdapat kurang

lebih 25 beban motor, 33 beban lump,dan 42 beban

statis.

3.4. Setting Under Frequency Relay (UFR)

PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III Plaju-

Sungai Gerong

Tabel 3.2. Data Setting Frekuensi Relay dan Hasil Pengukuran

Beban Load Shedding di PT.PERTAMINA (Persero) R.U.III