STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER … · Proteksi ini berguna untuk melindungi bagian...

STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER BUS DI PT. LINDE INDONESIA

GRESIK

Nama : Sandi Agusta Jiwantoro

NRP : 2210105021

Pembimbing :

1. Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT.

2. Dr. Dedet Candra Riawan, ST. M.Eng

Sidang Tugas Akhir (Genap 2011-2012)

Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS

Pendahuluan

Latar Belakang

Tujuan

Batasan Masalah

Dalam upaya meningkatkan kegiatan operasionalnya, PT. Linde Indonesia Gresik akan mengoperasikan 4 unit kompresor baru, yaitu kompresor GC-1A, GC-1B, GC-1C sebesar 350 kW, dan kompresor BC sebesar 240 kW.

Untuk melayani beban – beban tersebut PT. Linde mengekspansi bus eksisting dengan cara menambahkan bus baru. Pada pengoperasiannya busbar mengalami gangguan dan sistem proteksi gagal mengamankan. Oleh karena itu, perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial pada busbar. Proteksi ini berguna untuk melindungi bagian busbar yaitu bagian yang berada di dalam zona pengaman diferensial. Sehingga bila terjadi gangguan dapat diisolasi dan tidak mengganggu sistem bagian yang lain serta kerusakan peralatan dapat dihindari

Latar Belakang

1.Memodelkan, mensimulasikan, dan menganalisis sistem kelistrikan PT. Linde Indonesia Gresik.

2.Memperoleh nilai knee point yang tepat pada current transformer agar CT dapat membaca gangguan dengan baik sehingga tidak terjadi kesalahan pada sistem proteksi diferensial.

3.Memperoleh setting proteksi diferensial yang tepat pada busbar sehingga gangguan dapat diisolasi dan tidak mengganggu bagian sistem yang lain serta kerusakan peralatan dapat dihindari.

Tujuan

1.Bagaimana menentukan knee point dari current

transformer agar CT dapat membaca gangguan dengan baik sehingga tidak terjadi kesalahan pada sistem proteksi diferensial

2.Bagaimana setting proteksi diferensial pada busbar yang terhubung dengan 4 unit kompresor baru.

Batasan Masalah

Teori Penunjang

Transformator Arus

Rele Diferensial

Rele Diferensial Tegangan (Impedansi Tinggi)

Prinsip Kerja Rele diferensial

Transformator arus / Current

Transformer (CT), digunakan untuk mengukur aliran arus pada jaringan sistem tenaga listrik. Kumparan primer trafo dihubungkan seri dengan rangkaian atau jaringan yang akan diukur arusnya sedangkan kumparan sekunder dihubungkan dengan meter atau dengan rele proteksi.

Pada transformator arus biasa dipasang burden pada bagian sekunder yang berfungsi sebagai impedansi beban.

Gambar 1 Rangkaian Kontruksi Transformator Arus

Transformator arus

• Rele diferensial merupakan suatu rele yang prinsip kerjanya berdasarkan kesimbangan (balance), yang membandingkan arus-arus sekunder transformator arus (CT) terpasang pada terminal-terminal peralatan atau instalasi listrik yang diamankan. Rele diferensial digunakan sebagai pengaman utama (main protection) pada busbar bila terjadi suatu gangguan. Rele ini sangat selektif dan sistem kerjanya sangat cepat.

Rele diferensial

Rele differensial tegangan bekerja menggunakan respon tegangan atau impedansi tinggi. Transformator arus diperlukan dalam setiap line yang tersambung dengan bus seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Proteksi diferensial tegangan pada bus tidak terbatas pada jumlah sumber dan load feeder yang terhubung pada bus, serta memiliki fitur sebagai berikut : [4]

Bekerja dengan kecepatan tinggi dari 1 cycle hingga 3 cycle. Mempunyai sensifitas tinggi dapat bekerja pada gangguan arus phasa

atau arus gangguan ke tanah dengan besaran yang kecil (low value) . Membedakan antara gangguan eksternal dan internal.

Rele diferensial teganggan (Impedansi tinggi)

Pertama, tidak bekerja / trip untuk setiap gangguan yang berada di luar zona pengaman.

Kedua, harus dapat bekerja untuk semua gangguan yang berada di dalam zona pengaman.

Dengan mempertimbangkan persyaratan pertama, lihat Gambar 2. Asumsikan bus tiga buah pemutus dengan gangguan pada lokasi yang ditunjukkan pada F3. Untuk gangguan F3, arus gangguan I3 mengalir melalui circuit

breaker 3 kemudian mengalir melalui circuit breaker 3 dan circuit breaker 2. Dengan nilai setiap arus yang mengalir pada circuit breaker 1 dan circuit breaker 2 lebih kecil dengan jumlah yang sama dengan I3. Assumsikan bahwa CTs memiliki sifat ideal. Maka arus CT sekunder yang dihasilkan dari circuit breaker 1 sama dengan jumlah arus yang dihasilkan dari circuit breaker 1 dan circuir breaker 2. Arus ini mengalir pada sirkuit sekunder dan menghasilkan tegangan pada titik A dan titik B.

Gambar 2 Rele Diferensial Tegangan.

Prinsip kerja Rele diferensial tegangan (Impedansi tinggi)

• Skema diferensial impedansi tinggi, impedansi pada diferensial memiliki resistansi tinggi yaitu 1000 ohm sampai dengan 2000 ohm. Titik persimpangan (junction point) setiap rangkaian CTs terhubung ke elemen impedansi tinggi.

• Untuk gangguan internal dan eksternal, semua CTs harus mampu mengalirkan arus yang melalui impedansi tinggi dan dimana terdapat stabilizing resistor yang menimbulkan tegangan untuk dibaca oleh rele overvoltage (59).

• Skema diatas menggunakan varistor logam-oksida (MOV) secara paralel dengan stabilizing resistensi. Sebuah MOV dipilih untuk untuk menahan tegangan pada level safety maksimum. Peralatan 50 digunakan untuk memberi sinyal yang dibutuhkan selama arus diferensial mengalir misalnya untuk inisialisasi kegagalan pemutus (breaker

failure initiate). Peralatan 86 digunakan untuk memberikan sinyal trip pada breaker

Gambar 3 Skema Impedansi Tinggi

Skema impedansi tinggi

ANALISA

Pemilihan Transformator Arus Berdasarkan Kurva Saturasinya.

Skema Diferensial Impedansi Tinggi Pada Bus 31.

Setting Diferensial Impedansi Tinggi.

Gambar 4 Single Line Diagram Bus 31 dan Bus 1APD-MCC-1

Ruang Lingkup Pengaman Diferensial

Ada beberapa transformator arus yang digunakan pada pengaman busbar yaitu CT 38, CT 39, CT 40, CT 41 dan CT 42. CT disini memiliki fungsi yang sangat penting dimana akurasinya dibutuhkan agar tidak salah dalam membaca arus gangguan. CT akan mengirim besaran ke rele sehingga rele dapat membaca dan mengolah data untuk memberikan perintah ke pemutus sirkuit (circuit breaker). Akurasi CT berhubungan dengan karakteristik saturasinya. Untuk itu diperlukan perhitungan untuk dibandingkan dengan nilai knee

point yang ada pada Gambar 5 agar akurasi CT terjaga.

Pemilhan transformator arus

Gambar 5 Kurva Eksitasi untuk Transformator Arus Multi-Ratio Kelas C [3]

Tabel 1 Data Current Transformer

Agar current transformer bisa mendeteksi adanya gangguan dengan baik dibutuhkan CT dengan nilai knee point minimal dua kali .[1]

Keterangan :

= Setting tegangan minimum = Arus Gangguan maksimum lewat primary ampere = Ratio lilitan CT = Resistansi dari sekunder CT = Total Resistansi dari kawat timah antara CT dan Rele

Gangguan di bus 31

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Ict38 Ict39 Ict40 Ict41 Ict42

Tegan

gan

(V

)

Gangguan di Bus 31

Tegangan Terbangkit Setting Knee Point knee point IEEE

Elemen Arus Kontribusi Gangguan

(A)

Tegangan Terbangkit (V)

Setting Knee Point (V)

ICT38 378 1.116 2.233 ICT39 13420 39.639 79.278 ICT40 549 1.621 3.242 ICT41 549 1.621 3.242 ICT42 549 1.621 3.242

Tabel 2 Hasil Perhitungan dengan Gangguan di Bus 31

Gangguan di bus 14

komponen Arus Kontribusi Gangguan

Tegangan Terbangkit Setting Knee Point

(A) (V) (V) ICT38 352 1.039 2.078

ICT39 12589 37.184 74.368

ICT40 515 1.521 3.042

ICT41 515 1.521 3.042 ICT42 13971 41.266 82.532

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


Tegan

gan

(V

)

Gangguan di Bus 14


knee point IEEE


Gangguan di bus 17


Tegangan Terbangkit

Setting Knee Point

(A) (V) (V) ICT38 352 1.039 2.078

ICT39 12589 37.184 74.368

ICT40 515 1.521 3.042

ICT41 13971 41.266 82.532

ICT42 515 1.521 3.042

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


Tegan

gan

(V

)

Gangguan di Bus 17



Gangguan di bus 20



(A) (V) (V)

ICT38 352 1.039 2.078

ICT39 12589 37.184 74.368

ICT40 13971 41.266 82.532

ICT41 515 1.521 3.042

ICT42 515 1.521 3.042

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


Tega

nga

n (

V)

Gangguan di Bus 20



Gangguan di bus 22


Tegangan Terbangkit

Setting Knee Point

(A) (V) (V)

ICT38 14125 41.721 83.442

ICT39 12589 37.184 74.368

ICT40 515 1.521 3.042

ICT41 515 1.521 3.042

ICT42 515 1.521 3.042

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


Tegan

gan

(V

)

Gangguan di Bus 22



CT 42CT 41CT 40CT 38

CT 39

BUS 31 3.3 kV

59

1APD-MCC-1

High impedance bus differential scheme

Rs

50

86

Junct

ion

box

BUS 14BUS 17BUS 20BUS 22

MOV

Skema diferensial impedansi tinggi pada bus 31

RL 0.0363 ohm

RCT 0.2 ohm

RS 2000 ohm

nCT 400/5

Gambar 6 Karakteristik Arus dan Tegangan dari MOV

Data elemen yang digunakan pada skema diferensial impedansi tinggi

Tabel 7 Data Elemen Pada Skema Diferensial Impedansi Tinggi.

1. Level Arus Hubung Singkat

Komponen

Arus Kontribusi Gangguan


Maksimum 3 Phasa (A)

Maksimum Single

Line to Ground (A) ICT38 378 3 ICT39 13420 182 ICT40 549 5 ICT41 549 5 ICT42 549 5

Tabel 8 Arus Kontribusi Gangguan Maksimum Pada Bus 31

Arus gangguan maksimum 3 phasa : ICT38 + ICT39 + ICT40 + ICT41 + ICT42 378 A + 13420 A + 549 A + 549 A+549 A = 15445 A Arus gangguan maksimum single line to ground ICT38 + ICT39 + ICT40 + ICT41 + ICT42 3 A + 182 A + 5A + 5A + 5A = 200 A

Setting diferensial impedansi tinggi

Tabel 9 Arus Kontribusi Gangguan Minimum Pada Bus 31

Komponen



Minimum 3 Phasa (A)

Minimum Single

Line to Ground (A)

ICT38 0 0 ICT39 9100 200 ICT40 0 0 ICT41 0 0 ICT42 0 0

Arus gangguan minimum 3 phasa = 9100 A Arus gangguan minimum single line to ground = 200 A

Kondisi Gangguan Eksternal (Gangguan Pada Bus 14, Bus 17, Bus 20, Bus 22)

Komponen




Maksimum Single



Arus gangguan maksimum 3 phasa : ICT38 + ICT39 + ICT40 + ICT41 352 A + 12589 A + 515 A + 515A = 13971A Arus gangguan maksimum single line to ground ICT38 + ICT39 + ICT40 + ICT41 3 A + 181 A + 5A + 5A = 194 A

Komponen




Maksimum Single




Komponen




Maksimum Single

Line to Ground (A) ICT38 14125 196 ICT39 12580 181

ICT40 515 5

ICT41 515 5

ICT42 515 5



2. Stabilitas Pada Gangguan Eksternal

(security check)

Gangguan VR_3PH VR_SLG

Bus 14 41.27 0.25

Bus 17 41.27 0.25

Bus 20 41.27 0.25

Bus 22 41.71 0.26

Tabel 14 Tegangan terbangkit di rele diferensial

Dimana k adalah 1 untuk gangguan tiga phasa , dan k adalah 2 untuk gangguan single line to ground

Dengan CTs yang dibebani gangguan eksternal yang berbeda - beda pada beberapa elemen jaringan, maka perlu dipertimbangkan tegangan rele tertinggi. Dalam hal ini, tegangan tertinggi pada gangguan eksternal adalah 41.71 V.

Dengan asumsi margin perlindungan pengaman (protection security margin) 1,6 ketika melakukan setting pickup dari actuator tegangan (59) dengan perhitungan di bawah ini.

VPKP = 1.6⋅41.71V = 66.73V Aktuator arus (50) yang digunakan dalam skema, setting pickup yang

diperlukan berada di bawah arus gangguan minimum. Dengan asumsi margin keandalan 0.5 maka :

IPKP =

3. Verifikasi dari Rating Tegangan CT

(check keandalan)

Dengan rekomendasi di bawah 0.67 sampai 0.5 dari akurasi tegangan kelas untuk mempertahankan respon dengan kecepatan tinggi untuk gangguan internal maka :

66.73V < 67 V = (0.67 ⋅ 100V)

Sensivitas Pada Gangguan Internal. Untuk memenuhi sensivitas pada gangguan internal maka

diperlukan nilai operasi minimum dalam primary ampere untuk sistem proteksi bus ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut:

Eksitasi arus pada setting tegangan dibaca dari kurva-eksitasi CT dengan asumsi 0,08 A pada 66.73 V. Karena ada lima CTs, IEX adalah 5 ⋅ 0,08 A = 0,4

Arus MOV pada pengaturan tegangan diperoleh dari karakteristik MOV. Karakteristik MOV diberikan dalam volt peak dan amp peak sehingga perlu dikonversi ke nilai RMS. 66.73V⋅ 2 = 133.46 V.

Dengan tegangan 133.46 V arus MOV memiliki nilai yang sangat kecil sehingga dapat diabaikan karena tidak signifikan dalam perhitungan.

Impedansi beban arus pada pengaturan tegangan adalah 66.73 V/2000 Ω = 0,0334 A. Iop = (0.4+ 0.0 + 0.0334) ⋅ 80 = 34.67 APRIMARY

Setting Waktu Untuk setting waktu berdasarkan rekomendasi dari IEEE [4], rele

diferensial beroperasi dari 1 cycle hingga 3 cycle. Dengan frekuensi 50 Hz maka akan diperoleh setting waktu sebagai berikut.

Perhitungan untuk 1 cycle

Perhitungan untuk 3 cycle

Dari perhitungan diatas maka setting waktu yang di rekomendasikan

yaitu 20 ms sampai 60 ms. Pada skema diferensial impedansi tinggi ini dibutuhkan respon waktu

yang cepat agar peralatan dapat terlindungi sehingga dipilih setting waktu rele sebesar 20 ms

.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil analisis yang telah dilakukan untuk setting pengaman rele differensial pada bus 31 yang terhubung dengan 4 kompresor baru, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Dengan penambahan bus 31 yang rentan terhadap gangguan maka perlu dipertimbangkan penggunaan proteksi diferensial.

2. Zona proteksi diferensial berada di daerah bus 31. Sehingga bus 31 berada pada zona internal proteksi diferensial dan bus yang lain yaitu bus 14, bus 17, bus 20 dan bus 22 berada di zona eksternal proteksi diferensial.

3. Pada gangguan di zona internal proteksi differensial bus impedansi tinggi yaitu gangguan pada bus 31 menunjukkan bahwa beban paling besar ditanggung oleh CT 39.

4. Untuk gangguan di zona eksternal proteksi differensial bus impedansi tinggi yaitu gangguan pada bus 14, bus 17, bus 20 dan bus 22. Beban paling besar yang ditanggung oleh CT dimana gangguan itu terjadi

KESIMPULAN (2) 5. Setting knee point CT diperoleh dengan mempertimbangkan beban maksimum

yang ditanggung oleh masing – masing CT ketika mengalami gangguan baik di zona internal maupun zona Eksternal proteksi diferensial bus impedansi tinggi.

6. Dengan membandingkan Setting knee point dengan kurva eksitasi untuk transformator arus kelas C pada IEEE Guide for the Application of Current

Transformer Used for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C37. 110-1996, maka pemilihan rasio CT 400:5 sesuai dengan kebutuhan.

7. Untuk memenuhi kriteria keandalan dengan mempertimbangkan sensitivitas pada gangguan internal maka nilai arus operasi minimum berada dibawah nilai arus hubung singkat minimum.

8. Dengan mempertimbangkan rekomendasi dari IEEE maka dipilih setting waktu sebesar 20 ms.

Sekian

&

Terima kasih

Daftar pustaka

[1]R.M. Rifaat, “ Considerations in Applying Power Bus

Protection Scheme to Industrial and IPP Systems,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 40, no.6, Nov/Dec. 2004.

[2]IEEE Guide for Protective Relay Application to Power System

Buses, IEEE Standard C37.234-2009. [3]IEEE Guide for the Application of Current Transformer Used

for Protective Relaying Purposes, IEEE Standard C37. 110-1996.

[4]IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination

of Industrial and Commercial Power Systems, IEEE Standard 242-2001.

STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER … · Proteksi ini berguna untuk melindungi bagian...

Documents

Transcript of STUDI PERENCANAAN PENGGUNAAN PROTEKSI POWER … · Proteksi ini berguna untuk melindungi bagian...