SISTEM PROTEKSI TURBIN GENERATOR Generator merupakan peralatan sistem tenaga yang paling mahal,dan dihadapkan kep ada berbagai kemungkinan gangguan. Kapasitas unitnya mencapai 500 MW, sehingga k egagalan unit pembangkit akan menyebabkan kelebihan beban pada pembangkit lain, bahkan mungkin menyebabkan instabilitas. Sistem proteksi generator perlu mendete ksi semua kondisi abnormal, tetapi sederhana dan tinggi keandalannya. Relay prot eksi hanya boleh mentrip CB kalau memang diperlukan, dan jika harus trip rele ti dak boleh gagal atau terlambat. Resiko yang dihadapi adalah pemadaman panjang, k erusakan yang sukar diperbaiki, atau keduanya. Masalah lain pada proteksi generator adalah bahwa dengan membuka CB, gangguan be lum akan berhenti karena penggerak mula yang masih bekerja dan sistem eksitasi m asih tersambung. Karena itu pembukaaan CB dilakukan bersamaan dengan penghentian masukan bahan bakar atau air dan pemutusan arus eksitasi, diikuti dengan penger eman. Pada saat start-up, sistem proteksi tidak boleh bekerja mentrip CB disebab kan oleh frekuensi atau tegangan generator yang belum mencapai nilai normal. Sel ain itu, kesalahan dan kerusakan pada item pembangkit harus dapat diputus dengan segera. Sistem proteksi harus dapat berope rasi dengan stabil. Kerusakan yang tidak dapat ditangani oleh sistem proteksi ut ama harus didukung oleh sistem proteksi tambahan (secondary protection). Oleh karena itu, proteksi pada generator dan turbinnya merupakan sebuah sistem p roteksi yang sangat kompleks. a. Proteksi Stator Gangguan fasa ke fasa pada stator baik gangguan dua fasa maupun tiga fasa dideteksi menggunakan relay arus lebih (OCR/Over Current Relay). OCR h arus mampu mendeteksi arus urutan negatif, karena setiap gangguan fasa-f asa akan timbul arus urutan negatif. Jika tidak diisolir, arus lebih akib at gangguan pasti menyebabkan overheat pada lilitan stator. Jika panas be rlebih yang timbul melebihi batas kemampuan isolasi dan winding stator ma ka dapat terjadi kegagalan pada stator. Gambar 1. Proteksi gangguan fasa generator OCR memperoleh sinyal masukan dari tiga buah CT. Pada kondisi normal, arus masing-masing fasa (urutan positif) memiliki besar yang sama namun berb eda sudut 1200. Gangguan dua fasa atau tiga fasa akan menyebabkan besa r arus setiap fasa tidak sama. Gangguan tiga fasa dapat mengakibatkan b esar arus yang mengalir mencapai 6-7 kali arus nominal. Seting relay be rdasarkan pada kemungkinan arus gangguan fasa-fasa yang paling kecil yai tu gangguan dua fasa. Pada kenyataan di lapangan, menggunakan nilai setting arus sekitar 12,8% nilai nominal per fasa atau dengan kata lain lebih keci l dari nilai gangguan satu fasa ke tanah. Jadi selain proteksi gangguan fasa ke fasa, gangguan fasa ke tanah juga harus di proteksi. Untuk mendeteksi gangguan hubung singkat yang melibatkan tanah pada stator digunakan Ground OCR. Ground OCR harus mampu mendeteksi arus ur utan nol, karena setiap gangguan hubung tanah pasti menghasilkan arus uruta n nol. Ganguan hubung tanah adalah gangguan yang paling banyak terjadi. Arus lebih yang ditimbulkan dapat mencapai 70% arus nominal. Gambar 2. Proteksi Gangguan fasa ke tanah (ground). Relay ini akan mendeteksi gangguan hubung tanah yang terjadi pada lilitan stator dari generator. Untuk membatasi pendeteksian gangguan hubung tanah yang terjadi pada stator generator saja, dipakai relay arus lebih hubun g tanah, dimana setting arus didasarkan pada besar arus gangguan tanah terkec il yaitu gangguan satu fasa ke tanah. Pada kenyataan di lapangan, menggunakan se tting arus sekitar 12,5 % arus nominalnya. Gangguan fasa ke tanah, umumnya terjadi di celah jangkar (armature slot). Gangguan pada titik tersebut secara langsung di hubungkan kepada Natural Earthing Resistor yang langsung dihubungkan ke tanah. Dengan arus ganguan lebih kecil dari 20 A, terbakarnya inti besi (iron core) masih belum masalah asalkan m esin segera trip dalam beberapa detik. Coil dapat diganti tanpa melapis kembali laminasi inti. Bagaimanapun, earthing resistor akan dilewati arus gangguan (>200A), sehingga kebakaran yang berat pada inti stator akan terjadi. Jadi diperlukan pelapisan laminasi kembali. Bahkan dengan memasang High Speed Earth Fault Di ferential Protection, kerusakan berat dapat terjadi disebakan oleh konstan ta waktu dari sirkit medan (field sirkit) yang besar dan membutuhkan waktu y ang relatif lama untuk menekan tuntas field flux nya. Untuk mendeteksi gangguan ini di gunakan Sensitive Earth Fault Protection. Proteksi gangguan stator hub ung tanah kebanyakan di tentukan oleh jenis pentanahan titik netral. Besar an yang di gunakan untuk mendeteksi gangguan adalah arus atau tegangan urutan no l. Hubung pendek antar belitan stator dalam satu coil juga dapat terjadi apabila st ator terbuat dari multi turn coil. Gangguan semacam ini berkembang kare na adanya surge arus yang masuk dengan bagian depan gelombang yang cur am, yang menyebabkan suatu tegangan tinggi melewati belitan pada jalan masuk belitan stator. Jika belitan stator terbuat dari single turn coil (gulung an tunggal), dengan satu coil per slot, tidak mungkin terjadi gangguan antar bel itan. Proteksi yang di gunakan adalah Interturn Fault Protection atau Stator Ear th Fault Protection. b. Proteksi Rotor Selain stator, rotor juga bagian penting yang rawan terhadap gangguan, sehingga sangat perlu untuk diproteksi. Macam gangguan yang biasanya terjadi pada rotor d iantaranya adalah hilangnya eksitasi generator. Pada kondisi hilang eksitasi, generator masih beroperasi dan turbin masih berputar. Hilangnya medan p enguat pada rotor akan mengakibatkan generator menarik daya reaktif dari beban walaupun generator masih mengirimkan daya aktif ke beban. Jika ganggua n hilang eksitasi tidak diisolir, dapat mengakibatkan sudut phasa arus m endahului terhadap tegangan sehingga generator akan berubah menjadi genera tor asinkron/induksi. Pada tahap ini generator dikatakan kehilangan sinkro nisasi dan berputar di luar kecepatan sinkronnya (kecepatan rotor mencap ai 105% kecepatan nominal). Daya output generator turun menjadi 20%-30% daya nominal. Jika hilang sinkronisasi tidak segera diisolasi maka generator akan berada pa da kondisi reverse power. Daya reaktif yang diambil dari sistem ini da pat melebihi rating generator sehingga menimbulkan kerusakan mekanis yaitu keru sakan turbin diikuti kerusakan generator yang berakibat fatal. Hilang eksitasi dapat terjadi karena terbukanya saklar medan (field circuit breaker), hu bung singkat (short circuit), open circuit dalam rangkaian medan atau g angguan pada AVR (Automatic Voltage Regulator). Untuk menghindari ini gen erator harus trip apabila rangkaian medan terbuka. Prinsip pendeteksian gan gguan hilang eksitasi berdasarkan perubahan pada impedansi terminal genera tor dan berada pada stator. Perubahan besaran impedansi terminal generat or adalah karena perubahan arus stator (naik), maka tegangan terminal akan turun . Untuk mendeteksi gangguan hilang eksitasi digunakan offset mho relay. Dua offset mho relay biasa digunakan sebagai proteksi hilang eksitasi. Rel ay 1 digunakan sebagai alarm peringatan sedangkan relay 2 digunakan sebagai si nyal trip pada kondisi hilang eksitasi. Gambar 3. Proteksi hilang eksitasi Masukan relay berupa besaran arus diukur pada pada masing-masing fasa d an besaran tegangan yang dideteksi oleh dua VT. Pada saat impedansi teruku r lebih kecil dari nilai setting maka relay akan mengirim sinyal ke circui t breaker generator untuk trip. Relay yang digunakan umumnya bersifat i nstantaneous dengan setting sudut phasa . Gangguan pada rotor yang lain yaitu gangguan tanah rotor. yaitu hubung singkat antara konduktor rotor dengan badan (body) rotor yang berakibat menimbu lkan ketidakseimbangan fluksi yang dihasilkan rotor dan selanjutnya dapat menimbulkan getaran (vibrasi) berlebihan dalam generator dan dapat merusa k rotor secara fatal. Gangguan ini dideteksi oleh relay rotor hubung tanah. Karena sirkuit ro tor adalah sirkuit arus searah, maka gangguan rotor hubung tanah tidak d apat dideteksi dengan Ground Fault Relay. Gangguan ini dideteksi menggunakanrelay impedansi. Berikut rangkaian proteksi gangguan satu fasa ke tanah pad a rotor : Gambar 4. Proteksi gangguan tanah rotor Relay rotor hubung tanah merupakan serangkaian komponen yang terdiri dar i sumber tegangan kotak frekuensi rendah dan relay impedansi. Sumber teg angan kotak dengan amplitudo 40 VAC, frekuensi 4 Hz. Impedansi diukur be rdasarkan perbandingan antara tegangan sumber gelombang kotak dengan arus rotor. Pada saat terjadi terjadi gangguan rotor ke tanah maka impedansi terukur akan berubah menjadi lebih kecil. Relay gangguan ini umumnya digunakan setti ng 2000 , jika impedansi terukur > 2000 maka relay akan mengirimkan siny al trip kepada breaker generator. Kapasitor pada rangkaian diperlukan unt uk blocking arus dari stator agar tidak mengalir ke relay sehingga dide teksi sebagai gangguan. c. Gangguan pada turbin Gangguan pada mesin turbin juga mengakibatkan gangguan pada sistem pembangkitan. Gangguan yang bisa terjadi pada turbin antara lain : 1. Loss of lubrication Yaitu gangguan karena pelumas atau oli yang berfungsi melumasi bearing pada turb in dan generator juga mendinginkan bearing mengalami gangguan/tidak normal. Tida k lancarnya pelumasan pada bearing akan menyebabkan keausan pada bearing. Sehing ga proteksi pada bagian ini sangat penting. Gambar 5. Skema pelumasan turbin 2. High Tubine Exhaust Pressure (low condenser vacuum) dan LP (low pressure ) exhaust steam temperature high. Jika tekanan keluar turbin tinggi blade tingkat akhir pada low pressure turbine akan terjadi overheating dan dapat terjadi kerusakan. Trip akan terjadi jika ada nya deteksi terjadinya low vacuum dan terjadinya mechanical action yang menyebab kan emergency valve bekerja. Jika tekanan exhaust turbin tinggi dan tempreratur exhaust steam tinggi, maka spray water akan bekerja mendinginkan blade turbin. S ehingga tugas dari spray water untuk mendinginkan blade turbin. Spray water ini berfungsi sebagai proteksi. 3. Gangguan overspeed pada turbin Turbin akan mengalami overspeed ketika torsi yang dihasilkan oleh aliran steam l ebih besar dari torsi lawan yang dihasilkan beban. Gaya yang dihasilkan melebihi dari disain motor. Jika diteruskan akan melebihi yield point material akibatnya rotor akan rusak. Kemungkinan terjadinya overspeed yaitu Pada saat run up atau ketika unit tiba-ti ba diputus dari beban. Kemungkinan overspeed dapat dikurangi secara normal deng an koordinasi ketika pembukaan circuit breaker dan penutupan steam valve. Sistem pr oteksi berfungsi untuk menjaga kecepatan turbin agar tidak melebihi kecepatan ma ksimum yang mempu ditahan oleh unit. Gambar 6. Waktu respon overspeed protection Overspeed trip harus diatur sebisa mungkin jauh dibawah kecepata Overspeed. trip harus diatur sebisa mungkin jauh dibawah kecepatan maksimum untuk memberikan wa ktu respon yang memadai pada sistem proteksi.