Sistem pengaman Elektris Generator

Sistem pengaman Elektris Generator

Nama : Roubin B. Pangaribuan

NIM : 5113331028

Jurusan : Pendidikan Teknik Elektro

Uiversitas Negeri Medan

Sistem pengaman Elektris Generator merupakan suatu alat yang digunakan untuk melindungi generator dari gangguan elektris, baik yang ditimbulkan dari luar generator (sebagai contoh, gangguan hubungan singkat pada jaringan transmisi, gangguan pada main transformers, dan pembebanan berlebih) maupun dari internal generator (sebagai contoh, rotor hubungan ketanah, hilangnya eksitasi generator, kenaikan suhu secara berlebih pada stator, dan fluks magnetik berlebih pada stator).

Gangguan ini dapat dikenali dengan menggunakan suatu perangkat bernama rele. Rele ini berperan sebagai sensing element, comparison element, dan control element [11]. Peran rele ini adalah berfungsi untuk [11]:

• Membunyikan alarm dan menutup rangkaian trip dari pemutus rangkaian untuk membebaskan peralatan dari gangguan yang terjadi.

• Melokalisir akibat dari gangguan untuk mengurangi potensi kerusakan.

• Membebaskan peralatan yang tidak bekerja normal untuk mencegah kerusakan peralatan.

• Segera membaskan bagian yang terganggu.

• Memberikan petunjuk atau indikasi dari lokasi serta jenis gangguan

• Penggunaan rele merupakan penghematan ±0.5% himgga ±2% harga peralatan yang diamankan.

Gambar 3.4 Penempatan Peralatan Pengaman Elektris pada Generator

3.2 Klasifikasi Rele Pengaman Elektris Generator

Terdapat beberapa macam rele yang umum digunakan sebagai pengaman elektris pada generator. Adapun penempatan peralatan pengaman elektris pada generator adalah sebagai berikut :

1. Rele Tegangan Lebih (Overvoltage Relay)

Pada generator yang besar umumnya menggunakan sistem pentanahan netral melalui transformator dengan tahanan di sisi sekunder. Sistem pentanahan ini dimaksudkan untuk mendapatkan nilai impedansi yang tinggi sehingga dapat membatasi arus hubung singkat agar tidak menimbulkan bahaya kerusakan pada belitan dan saat terjadi gangguan hubung singkat stator ke tanah.

Arus hubung singkat yang terjadi di sekitar titik netral relatif kecil sehinga sulit untuk dideteksi oleh rele differensial. Dengan dipasang transformator tegangan, arus yang kecil tersebut akan mengalir dan menginduksikan tegangan pada sisi sekunder transformator. Untuk mengatasi hal tersebut digunakan rele pendeteksi tegangan lebih yang dipasang pada sisi sekunder transformator tegangan.

Tegangan yang muncul pada sisi sekunder transformator tegangan akan membuat rele tegangan berada pada kondisi mendeteksi apabila perubahan tegangan melebihi nilai settingnya dan generator akan trip.

Rangkaian ini sangat baik karena dapat membatasi aliran arus nol yang mengalir ke dalam generator ketika terjadi

hubung singkat fasa ke tanah di sisi tegangan tinggi transformator tegangan.

Akan tetapi karena efek kapasitansi pada kedua belitan transformator dapat menyebabkan adanya arus bocor urutan nol yang dapat mengaktifkan rele tegangan lebih di sisi netral generator. Dengan demikian rele tegangan lebih yang dipasang harus mempunyai waktu tunda yang dapat dikoordinasikan dengan rele di luar generator. Adapun penyebab overvoltage adalah sebagai berikut:

• Kegagalan AVR.

• Kesalahan operasi sistem eksitasi.

• Pelepasan beban saaat eksitasi dikontrol secara manual.

• Pemisahan generator dari sistem saat islanding. 

Adapun single line diagram rele gangguan tegangan lebih adalah seperti gambar di atas.

2. Rele Gangguan Stator Hubung Tanah (Stator Earth Fault Relay)

Ganguan hubungan tanah adalah gangguan yang paling banyak terjadi. Arus gangguan hubung tanah yang terjadi belum tentu cukup besar untuk dapat mengoperasikan rele arus lebih. Oleh sebab itu, harus ada rele arus hubung tanah yang harus dapat mendeteksi arus urutan nol, karena setiap gangguan hunung tanah menghasilkan arus urutan nol.

Rele gangguan tanah ini dipasang pada sirkuit stator seperti umumnya rele hubung tanah pada sirkuit 3 fasa yaitu dengan menjumlah melalui transformator arus ke 3 fasa yang ada. Jika tidak terdapat gangguan hubung tanah jumlah ini sama dengan 0, tapi jika terdapat gangguan hubung tanah maka jumlah ini tidak sama dengan 0 lalu rele akan bekerja.

Rele ini akan mendeteksi gangguan hubung tanah yang terjadi pada sirkuit yang terhubung dengan sirkuit stator dari generator. Untuk membatasi pendeteksian gangguan hubung tanah yang terjadi pada stator generator saja dipakai rele hubung tanah terbatas, dimana jumlah arus deri 3 fasa tersebut dijumlah lagi dengan arus yang dideteksi transformator arus pada konduktor pentanahan titik netral generator.

Rele hubung tanah terbatas sesungguhnya merupakan rele diferensial khusus yang dirangkai untuk mendeteksi gangguan stator hubung tanah. Adapun single line diagram rele gangguan stator hubung tanah adalah sepertri gambar di atas.

Sedangkan single line diagram rele gangguan stator hubung tanah terbatas adalah sebagai berikut :

Gambar 3.7 Single Line Diagram Rele Gangguan Stator Hubung Tanah Terbatas 

3. Rele Daya Balik (Reverse Power Relay)

 Rele daya balik berfungsi untuk mendeteksi aliran daya balik aktif yang masuk pada generator. Berubahnya aliran daya aktif pada arah generator akan membuat generator menjadi motor, dikenal sebagai peristiwa motoring. Pengaruh ini disebabkan oleh pengaruh rendahnya input daya dari prime mover.

Bila daya input ini tidak dapat mengatasi rugi-rugi daya yang ada maka kekurangan daya dapat diperoleh dengan menyerap daya aktif dari jaringan. Selama penguatan masih ada maka aliran daya aktif generator sama halnya dengan saat generator bekerja sebagai motor, sehingga daya aktif masuk ke generator dan daya reaktif dapat masuk atau keluar dari generator.

Gambar 3.8 Single Line Diagram Rele Daya Balik 
 Peristiwa motoring ini dapat juga menimbulkan kerusakan lebih parah pada turbin ketika aliran uap berhenti. Temperatur sudu-sudu akan naik akibat rugi gesekan turbin dengan udara. Untuk itu di dalam turbin gas dan uap dilengkapi sensor aliran dan temperatur yang dapat memberikan pesan pada rele untuk trip. Akan tetapi pada generator juga dipasng rele daya balik yang berfungsi sebagai cadangan bila pengaman di turbin gagal bekerja. Adapun single line diagram rele daya balik adalah seperti gambar di atas.

Pada gambar tersebut, apabila terjadi gangguan pada F1, maka rele akan men-trip CB2, apabila gangguan terjadi pada F2, maka rele tidak akan men-trip CB2 karena arah aliran arus yng terbalik dari kanan ke kiri.

4. Rele Gangguan Rotor Hubung Tanah (Rotor Earth Fault Relay )

Hubung tanah dalam sirkuit rotor, yaitu hubung singkat antara konduktor rotor dengan badan rotor dimana dapat menimbulkan distorsi medan magnet yang dihasilkan rotor dan selanjutnya dapat menimbulakn getaran (vibrasi) berlebihan dalam generator. Oleh karena itu, hal ini harus dihentikan oleh rele rotor hubung tanah. Karena sirkuit rotor adalah sirkuit arus searah, maka rele rotor hubung tanah pada prinsipnya merupakan rele arus lebih untuk arus searah. Adapun single line diagram rele gangguan rotor hubung tanah adalah sebagai berikut : 

Gambar 3.9 Single Line Diagram Rele Gangguan Rotor Hubung Tanah

Pada gambar di atas, ketika tidak ada gangguan maka arus simetri, {Ir = Ia+Ib+Ic =0}, namun ketika terjadi gangguan hubung singkat ke tanah, maka arus menjadi tak simetri {Ir = Ia+Ib+Ic = 3Iao}, sehingga terdapat arus yang mengalir pada rele dan membuat rele mendeteksi gangguan. 

5. Rele Fasa Urutan Negatif (Negative Phase Sequence Relay)

Arus yang tidak seimbang pada stator akan menimbulkan arus urutan negatif dalam stator. Arus urutan negatif ini akan menimbulkan medan magnet yang berlawanan arah terhadap rotor dan menghasilkan arus putar eddy. Pada permukaan rotor, arus pusar ini akan menimbulkan panas yang pada akhirnya dapat menyebabkan overheat. Efek pemanasan yang ditimbulkan dapat mengakibatkan kerusaka pada struktur bagian-bagian rotor yang juga dapat menimbulkan getaranpada

rotor. Karena material rotor memiliki batas temperatur yang dinyatakan dalam :

I² . t = K

Dimana, I² = Arus urutan fasa

T = waktu

K = karakteristik kerja

Rumus tersebut menunjukkan hubungan antara arus negatif dan batas waktu yang diijinkan mengalir pada generator. Rele arus urutan negatif berfungsi untuk mendeteksi dengan karakteristik invers. Hal ini dikareakan setiap jenis mesin sinkron memiliki harga yang berbeda.

6. Rele Diferensial (Differential Relay)

Rele ini berfungsi untuk mendeteksi gangguan dalam kumparan stator generator dan harus bekerja lebih cepat daripada rele arus lebih agar terdapat selektifitas. Prinsip kerja rele ini adalah membandingkan arus yang masuk dan keluar dari kumparan stator generator. Apabila terdapat selisih, berarti terdapat gangguan dalam kumparan stator generator. CT pertama dipasang pada bagian dekat pentanahan stator, sedangkan CT kedua dipasang pada bagian output stator. Selisih arus yang terdeteksi di antara kedua zona inilah yang mengoperasikan rele diferensial. Adapun single line diagram rele diferensial adalah sebagai berikut : 

Gambar 3.10 Single Line Diagram Rele Diferensial [11]

Dalam keadaan normal Ir= I’2 - I’’2 =0 rele tidak kerja

Gangguan di K Ir= I’2 rele kerja

Gangguan di bus B Ir= I’2 - I”2 =0 rele tidak kerja

7. Rele Arus Lebih (Overcurrent Relay)

Rele ini berfungsi mendeteksi arus lebih yang mengalir dalam kumparan stator generator. Arus yang berlebihan dapat terjadi pada kumparan stator generator atau di dalam kumparan rotor. Arus yang berlebihan pada kumparan stator dapat terjadi karena pembebanan berlebihan terhadap generator. Adapun single line diagram rele arus lebih adalah sebagai berikut :

Gambar 3.11 Single Line Diagram Rele Arus Lebih [11]

Keterangan, CB = Circuit Breaker

TC = Trip Coil CB

I = Arus yang mengalir pada saluran yang diamankan

CT = Transformator Arus

Ir = Arus yang mengalir pada rele

C = Rele arus lebih

Ip = Arus pick-up dari rele

8. Rele Gangguan Frekuensi (Frequency Fault Relay)

Rele ini berfungsi untuk mendeteksi adanya perubahan frekuensi dalam nilai yang besar secara tiba – tiba. Kisaran frekuensi yang diijinkan adalah ±3% sampai ±7% dari nilai frekuensi nominal. Penurunan frekuensi disebabkan oleh adanya kelebihan permintaan daya aktif di jaringan atau kerusakan regulator frekuensi. Frekuensi yang turun menyebabkan naiknya arus magnetisasi pada generator yang

akan menaikkan temperatur. Pada turbin uap, hal tersebut akan mereduksi umur blade pada rotor. Kenaikan frekuensi disebabkan oleh adanya penurunan permintaan daya aktif pada jaringan atau kerusakan regulator frekuensi. Frekuensi yang naik akan menyebabkan turunnya nilai arus magnetisasi pada generator yang akan menyebabkan generator kekurangan medan penguat. Sensor rele frekuensi dipasang pada tiap fasa yang keluar dari generator.

9. Rele Impedansi (Impedance Relay)

Rele ini berfungsi untuk mendeteksi gangguan antar fasa pada posisi output generator (di saluran penghantar atau feeder). Dengan adanya setting keterlambatan waktu, rele ini memberi kesempatan terlebih dahulu pada rele penghantar untuk mengatasi gangguan tersebut. Sensor rele ini berupa transformator tegangan, transformator arus, serta elemen directional yang hanya melihat gangguan yang ada pada posisi output generator saja, sehingga apabila terjadi gangguan dalam generator itu sendiri atau pada input generator (turbin atau exciter), rele tidak akan bekerja karena zona tersebut tidak berada dalam zona pengamanan yang dapat diamankan oleh rele impedansi.

Gambar 3.12 Single Line Diagram Rele Impedansi 

Keterangan : C = elemen starting

P = power directional

D = elemen/rele jarak

ratio Ur/Ir = Zfault

Sinyal pada rele tidak tergantung pada arus gangguan, tetapi tergantung jarak dimana gangguan terjadi, berhubungan dengan parameter saluran dimana Z = f ( I ).

10. Rele Kehilangan Medan Penguat Rotor (Lost of Rotor Excitation Relay)

Hilangnya medan penguat pada rotor akan mengakibatkan generator kehilangan sinkronisasi dan berputar di luar kecepatan sinkronnya sehingga generator beroperasi sebagai generator asinkron. Daya reaktif yang diambil dari sistem ini akan dapat melebihi rating generator sehingga

menimbulkan overload pada belitan stator dan menimbulkan overheat yang menimbulkan penurunan tegangan generator. 

Gambar 3.13 Diagram Rele Kehilangan Medan Penguat Rotor [7]

Hilangnya medan penguat rotor dapat dideteksi dengan kumparan yang dipasang paralel dengan main exciter dan kumparan rotor generator. Pada kumparan ini akan mengalir arus yang apabila nilainya kurang dari arus setting yang diinginkan, maka akan membuat rele mengeluarkan sinyal alarm atau trip.

11. Rele Kehilangan Sinkronisasi (Out of Synchronism Relay)

Peristiwa lepasnya sinkronisasi pada generator yang sedang beroperasi disebabkan oleh generator yang beroperasi melampaui batas stabilnya. Yang dimaksud dengan stabilitas adalah kemampuan sistem untuk kembali bekerja normal setelah mengalami sesuatu seperti perubahan beban, switching, dan gangguan lain. Gangguan tersebut akan berdampak pada tidak sinkronnya tegangan generator dan sistem. Untuk mengamankan generator yang berkapasitas beban besar terhadap peristiwa ayunan beban dari kondisi tak sinkron digunakan rele lepas sinkron. Rele ini mendeteksi besar impedansi (arus dan tegangan sistem). Apabila kondisi sistem akan memasuki impedansi generator maka rele tersebut akan mengaktifkan rele untuk trip PMT generator. Rele impedansi merupakan backup bagi rele ini.