PT. PLN (PERSERO)PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

LOMBA DESAIN GI 150 KV

BAB 1. PERHITUNGAN DESAIN ENJINIRING

1.1. UMUMPada bagian ini akan dibahas tentang perhitungan design enjiniring untuk mendisain suatu gardu induk 150 kV. Bagian utama yang akan diuraikan pada bab ini adalah perhitungan arus hubungsingkat tiga phasa, koordinasi isolasi dan penentuan rasio trafo arus (CT) untuk peralatan ukur dan proteksi.

1.2. PERHITUNGAN ARUS HUBUNG SINGKATMenentukan breaking capacity suatu peralatan sistem tenaga listrik seperti trafo, pemutus tenaga (PMT), trafo Arus (CT), trafo tegangan (PT) dan lain-lainnya merupakan bagian penting dalam menentukan design suatu gardu induk.

1.2.1. Arus Hubung Singkat 3-Phasa Sisi Tegangan 150 kVBesar arus hubungsingkat suatu gardu induk akan sangat tergantung dari pembangkitan pada sistem itu dan bagaimana pola operasi gardu induk tersebut dipasok.Gardu Induk yang akan didisain adalah Gardu Induk 150 kV . yang mendapat pasokan dari 1 (satu) sumber yaitu IBT 500/150 kV (2x500 MVA) melalui 2 (dua) circuit penghantar ACSR 2xZebra dengan asumsi pasokannya adalah radial.Breaking Capacity Circuit Breaker sisi 150 kV Agar desain tersebut dapat memenuhi pengoperasian dalam jangka panjang (37 tahun) maka diasumsikan GI 500 kV adalah infinite bus. Dengan asumsi impedansi Interbus Transformer (IBT) 500/150 kV adalah 12,5 % maka arus hubung singkat maksimum pada bus 150 kV adalah 2 x 8 x In (arus nominal) IBT atau :Ihs150 kV = (2x8x500.000) / (150xV3) = 2x8x1,96 kA = 31,4 kAUntuk antisipasi bahwa suatu saat GI tersebut dioperasikan secara loop (interkoneksi) dari dua sumber maka dipilih breaking capacity Circuit Breaker yang dipilih adalah 40 kA. Pertimbangan lain dari pemilihan kapasitas circuit breaker ini adalah mudah diperoleh tanpa special order. (Berdasarkan standard VDE/IEC57-1 maka breaking capacity pada level tegangan 150 kV yang dipilih adalah 40 kA).

1/Bab 1 Agustus 2005

PT. PLN (PERSERO)PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

LOMBA DESAIN GI 150 KV

1.2.2. Kemampuan Hantar Arus Circuit Breaker Sisi 150 kVKemampuan hantar arus CB untuk penghantar tergantung pada kapasitas konduktor yang akan dipasang. Dalam desain ini dipilih adalah ACSR 2xZebra dengan kapssitas hantar arus 2x800 A maka dipilih arus nominal CB minimum = 2000 A.Kemampuan hantar arus CB untuk Trafo sisi 150 kV dipilih sesuai kapasitas trafo (60 MVA), yaitu 230 A. Maka untuk kapasitas hantar arus CB trafo sisi 150 dipilih minimum 300 A.

1.2.3. Arus Hubung Singkat 3-Phasa Sisi Tegangan 20 kVSeperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa Gardu Induk yang akan didisain mempunyai 3 (tiga) bay trafo 150/20 kV, 60 MVA dengan pola operasi di 20 kV radial dan dengan asumsi reaktansi trafo 12.5%, sehingga terdapat 3 (tiga) rel busbar 20 kV. Dengan asumsi arus hubungsingkat terbesar disisi tegangan 150 kV adalah 31.2 kA dan reaktansi trafo sebesar 12,5% maka arus hubungsingkat 3 phasa di rel 20 kV adalah :

ib20 x jXt1Zs1

E I3f20

I3f20 = 13,08 kADimana :Zs1 = impedansi sumberXt1 = impedansi trafoIb20 = arus base di 20 kVE = tegangan base Jika diambil faktor koreksi (fk) sebesar 1,2 maka breaking capacity pada level 20 kV yang dipilih adalah :Breaking capacitity = fk x Ihs3ph

= 1,2 x 13,08 = 15,7 kABerdasarkan standard VDE/IEC57-1 maka breaking capacity pada level tegangan 20 kV yang dipilih adalah 20 kA.

1.2.4. Kemampuan Hantar Arus Circuit Breaker Sisi 20 kVKemampuan hantar arus CB incoming dipilih sesuai kapasitas trafo (60 MVA) yaitu sebesar 1700 A. Maka untuk kapasitas hantar arus CB trafo sisi 20 kV dipilih 2000 A.

1.3. Koordinasi IsolasiBerdasarkan standard level isolasi pada range tegangan 1 kV < Um < 245 kV) bedasarkan standard 60076-3(c) IEC:2000 dan VDE 0111 Part

2/Bab 1 Agustus 2005

PT. PLN (PERSERO)PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

LOMBA DESAIN GI 150 KV

1, maka untuk level tegangan 150 kV standard lightning impulse withstand voltage kV peak value, adalah :

Highest voltage for equipment

Um,kV

rms value

Standard short-timepower frequencywithstand voltage

kVrms value

Standard short-timelightning impulsewithstand voltage

kVrms value

170 275 650325 750

Untuk level tegangan 150 kV maka dapat dipilih standard short-time lightning impulse withstand voltage atau basic insulation level (BIL) trafo pada tegangan 550 kV atau 650 kV.Pertimbangan pemilihan BIL selain dari faktor harga adalah dari statistik kerusakan atau pengalaman operasional serta lokasi gardu induk tersebut akan dibangun dimana hal ini berhubungan dengan isokronik level (IKL).Berdasarkan performance/unjuk kinerja operasi trafo 150/20 kV pada sistem Jawa-Bali dengan total kurang lebih 505 buah dengan BIL 650 kV dan rata-rata umur operasi kurang lebih 15-20 tahun, menunjukkan hanya 1 (satu) kali kerusakan trafo akibat sambaran petir pada GI. Cibinong. Jika dilihat lokasi pemasangan trafo berdasarkan peta isocronic level pada gambar 2.2 berikut, terlihat bahwa lokasi GI berada disekitar IKL yang tidak tinggi (50).

Gambar 1.2-1. Peta Isocronic Level di IndonesiaDari pengalaman operasi, pertimbangan lokasi GI yang akan dibangun serta pertimbangan harga maka disain BIL trafo sebesar 650 kV masih layak dan baik digunakan.Tingkat isolasi selanjutnya adalah Lightning Arrester. Arrester berfungsi melindungi trafo terhadap tegangan lebih akibat surja petir, sehingga

3/Bab 1 Agustus 2005

PT. PLN (PERSERO)PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

LOMBA DESAIN GI 150 KV

tegangan pelepasan arrester harus lebih rendah dari BIL trafo dengan safety factor (SF) 1.15.Tegangan pelepasan trafo = BIL Trafo/SF

= 565 kVSehingga dipilih tegangan pelepasan arrester adalah 525 kV.Tingkat isolasi selanjutnya adalah Lightning Arrester (LA) sisi penghantar. LA ini berfungsi menurunkan level tegangan lebih akibat surja petir sebelum mencapai LA trafo, sehingga tegangan pelepasan LA penghantar ini harus lebih tinggi dari tegangan pelepasan LA trafo dengan shielding factor (SF) 1.15. Tegangan pelepasan LA penghantar = Tegangan discharge LA trfx SF

= 650 kVSehingga dipilih tegangan pelepasan LA penghantar adalah 650 kV.Selanjutnya adalah penentuan jarak minimum arcing horn (spark gap) isolator pada saluran trasmisi. Adapun besarnya tegangan pelepasan arcing horn harus lebih besar dari tegangan pelepasan LA penghantar, dipilih 1.15 kali tegangan pelepasan LA penghantar, atau 1.15 x 650 kV = 750 kV (+/-1500 mm).Dengan asumsi bahwa arus petir terbesar 100 kA dan tahanan kaki tower maksimum 10 ohm, maka tegangan tower pada saat terkena sambaran petir adalah sekitar 1000 kV, maka pemilihan arching horn 750 kV sudah baik.Dengan demikian Lightning Impulse withstand voltage untuk isolator pada penghantar dipilih BIL1200 KV. Untuk hal tersebut diperlukan 12 bh disc insulators degan kemampuan Lightning Impulse withstand voltage 100 kV/bh (IEC 305).

4/Bab 1 Agustus 2005

PT. PLN (PERSERO)PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

LOMBA DESAIN GI 150 KV

Gambar 1.2-2. Kurva Koordinasi Isolasi Gardu Induk

5/Bab 1 Agustus 2005

kV

650

525

750

1200

(jarak) m

BIL

Tran

sfor

mat

or

Arc

hing

Hor

n

Isol

ator

LA T

rafo

LA P

engh

anta

r

650

Teg

Tow

er s

aat s

amba

ran

lang

sung

1000

PT. PLN (PERSERO)PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

LOMBA DESAIN GI 150 KV

1.4. Tegangan Pengenal Lightning ArresterTegangan pengenal LA harus dapat menahan temporary overvoltages yang terjadi di penghantar. Menurut Grid Code (sebagai akibat pengaturan operasi jaringan) temporary overvoltage yang diperbolehkan adalah 1.05 Vn. Dengan mempertimbangkan hal tersebut, maka dipilih safety factor 1.1, sehingga tegangan pengenal Lighning Arrester minimum = 165 kV.

1.5. Peletakan Lightning ArresterAdapun peletakan maksimum arrester dari trafo adalah :

Berdasarkan perhitungan diatas maka arrester dapat melindungi trafo jika diletakkan maksimum adalah 50m, akan tetapi lebih dekat akan lebih baik.

1.6. Kebutuhan Trafo ArusPemilihan besar arus primer pada trafo arus (CT) guna kebutuhan pengukuran alat ukur maupun untuk kebutuhaan sistem proteksi harus berdasarkan minimal arus nominal peralatan yang diukur atau dilindungi, sehingga tidak terjadi overload di CT jika perlatan tersebut ingin dioperasikan sebesar maksimum dari kemampuan peralatannya. Setiap bay peralatan pada suatu gardu induk membutuhkan CT, dimana dalam hal ini sesuai asumsi dengan disain GI maka akan dijelaskan pemilihan CT untuk 4 (empat) bay line saluran transmisi, 1 (satu) bay kopel, 3 bay trafo distribusi, serta 6 (enam) bay penyulang 20 kV.

1.6.1. CT Untuk Bay Saluran Transmisi

6/Bab 1 Agustus 2005

x = (Et - Ea ).v

2

dimana : x = Jarak dari arrester ke alat yang dilindungi (m) Et = Tegangan terminal dari alat yang dilindungi (kV) Ea = Tegangan pelepasan arrester (kV) = Kecuraman muka gelombang kV/s v = Kecepatan rambat gelombang (m/ s)Contoh: Et = BIL = 650 kV

Ea = 550 kV = 300 kV/s v = 300 m/s

x = (650 - 550 ) kV * 300

m/s2 * 300 kV/s

= 50 m

PT. PLN (PERSERO)PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

LOMBA DESAIN GI 150 KV

Berdasarkan asumsi transmisi yang akan digunakan adalah 2xACSR Zebra dengan kapasitas hantar arus sebesar 1580 A, maka rasio CT yang dipilih adalah dengan jenis multiple core tegangan tinggi dan multiple core tegangan rendah dengan ukuran :

CTpenghantar = 1600-2000/1-1-1-1-1.

Penggunaan core 2000 A masih diperlukan guna sistem proteksi pada busbar yang harus dilingkupi hingga CT saluran transmisi. Sedangkan pemilihan 5 core pada sisi sekunder berdasarkan kebutuhan untuk metering (1 core), proteksi utama (1 core), proteksi cadangan (1 core) dan busbar proteksi (2 core).

1.6.2. CT Untuk Bay Trafo Distribusi Dengan kapasitas trafo distribusi yang dipilih sebesar 60 MVA, maka nominal trafo disisi primer adalah 231 A dan sisi sekunder sebesar 1732 A, maka rasio CT yang dipilih adalah dengan jenis multiple core tegangan tinggi dan multiple core tegangan rendah dengan ukuran :

CTtrafo sisi 150 kV = 150-300-2000/1-1-1-1-1.CTtrafo sisi 20 kV = 1000-2000/1-1-1

Sama dengan CT pada saluran transmisi maka penggunaan core 2000 A pada CTtrafo sisi 150 kV masih diperlukan untuk sistem proteksi pada busbar yang harus dilingkupi hingga CT trafo distribusi. Sedangkan core 150 A diperlukan untuk ketelitian alat ukur pada saat trafo distribusi masih dibebani rendah. Adapun pemilihan 5 core pada sisi sekunder berdasarkan kebutuhan untuk metering (1 core), proteksi utama (1 core), proteksi cadangan (1 core) dan busbar proteksi (2 core)Pemilihan core 1000 A pada CTtrafo sisi 20 kV juga diperlukan untuk ketelitian alat ukur pada saat trafo distribusi masih dibebani rendah. Pemilihan 3 core pada sisi sekunder berdasarkan kebutuhan untuk metering (1 core), proteksi utama (1 core), dan proteksi cadangan (1 core).

1.6.3. CT Untuk Bay KopeLBerdasarkan asumsi transmisi yang akan digunakan adalah 2xAAAC 800mm2 dengan kapasitas hantar arus sebesar 2 x 1075 A, maka rasio CT yang dipilih adalah dengan jenis single core tegangan tinggi dan multiple core tegangan rendah dengan ukuran :

CTkopel = 2000/1-1-1-1

Penggunaan core 2000 A masih diperlukan guna sistem proteksi pada busbar yang harus dilingkupi hingga CT kopel.

7/Bab 1 Agustus 2005

PT. PLN (PERSERO)PENYALURAN DAN PUSAT PENGATUR BEBAN JAWA BALI

LOMBA DESAIN GI 150 KV

Sedangkan pemilihan 3 core pada sisi sekunder berdasarkan kebutuhan untuk metering (1 core), proteksi (1 core), dan busbar proteksi (2 core)

1.6.4. CT Untuk Bay PenyulangPertimbangan perhitungan arus nominal sisi primer CT untuk penyulang 20 kV selain dari kemampuan kapasitas hantar arus kabel 20 kV juga berdasarkan arus maksimum hubungsingkat yang terjadi pada rel 20 kV akibat kapasitas dari trafo distribusi. Perimbangan ini diambil berdasarkan pengalaman PLN P3B akibat penggantian kapasitas trafo distribusi yang tidak diikuti dengan perubahan rasio CT sisi penyulang 20 kV. Hal tersebut mengakibatkan seringnya terjadi kegagalan sistem proteksi penyulang 20 kV jika terjadi gangguan hubungsingkat phasa-phasa yang terjadi di dekat rel 20 kV karena kejenuhan CT penyulang 20 kV.Berdasarkan arus hubungsingkat 3phasa maksimum seperti yang telah dijelaskan pada subbab 2.2.2 maka diperoleh Ihs3phasa sebesar 13,08 kA. Relai pengaman penyulang umumnya digunakan overcurrent relay. Wiring overcurent relai menggunakan perhitungan phasa-phasa, maka besarnya arus hubugsingkat maksimum phasa-phasa yang dirasakan relai adalah :

Ihsphasa-phasa = 0.867 x Ihs 3phasa= 0.867 x 13,08= 11,34 kA

Kelas CT untuk overcurrent relai yang digunakan adalah 5P20, sehingga arus sisi primer CTpenyulang adalah :

dipilih

CTpenyulang = 600/1-1Pemilihan 2 core pada sisi sekunder berdasarkan kebutuhan untuk 1 core untuk metering dan 1 core untuk proteksi.

8/Bab 1 Agustus 2005