Proteksi GeneratorFandy Pilardin Putra (21060111083001)Ageng Nugroho (21060111083002)Abraham Arif Wasis (21060111083003)Riza Effendi Wijaya (21060111083004)Nanang Bagus P(21060111083005)Yulia Arumdina (21060111083006)

Pendahuluan Keandalan dan kemampuan suatu sistem tenaga

listrik dalam melayani konsumen sangat tergantung pada sistem proteksi yang digunakan. Oleh sebab itu dalam perencangan suatu sistem tenaga listrik, perlu dipertimbangkan kondisi-kondisi gangguan yang mungkin terjadi pada sistem, melalui analisa gangguan. Pada dasarnya gangguan dapat terjadi karena kegagalan operasi peralatan dalam sistem,  kesalahan manusia dan karena alam. Langkah yang dapat diambil untuk mencegah terjadinya gangguan antara lain dengan menggunakan isolasi yang baik, membuat koordinasi isolasi dan menghindarkan kesalahan operasi. Tetapi  langkah – langkah tersebut  dibatasi oleh faktor ekonomis dan alam. Gangguan boleh saja terjadi dan tidak dapat dihindari namun dampaknya harus diminimisasi.

PERMASALAHAN

Macam-macam gangguan pada generator :a. Gangguan listrik/electrical faultb. Gangguan mekanis / panas (mechanical/thermal fault)c. Gangguan sistem (system fault)

A. Gangguan listrik / Electrical fault Yaitu gangguan yang timbul dan terjadi pada bagian-bagian listrik dari generator

Gangguan-gangguan tersebut antara lain :1. Hubung singkat 3 phasa2. Hubung singkat 2 phasa3. Stator hubung singkat 1 phasa ke

tanah/stator ground fault4. Rotor hubung tanah/field ground5. Kehilangan medan penguat/Loss of excitation6. Tegangan lebih/Over voltage

1.  Hubung singkat 3 phasaTerjadinya arus lebih pada stator yang dimaksud adalah arus lebih yang timbul akibat terjadinya hubungan singkat 3 phasa/ 3 phase fault. Gangguan ini akan menimbulkan loncatan bunga api dengan suhu yang tinggi yang akan melelehkan belitan dengan resiko terjadinya kebakaran, jika isolasi tidak terbuat dari bahan yang anti api /nonflammable.

2.   Hubung singkat 2 phasa

Gangguan hubung singkat 2 phasa/unbalance fault lebih berbahaya dibanding gangguan hubung singkat 3 phasa/balance fault, karena disamping akan terjadi kerusakan pada belitan akan timbul pula vibrasi pada kumparan stator. Kerusakan lain yang timbul adalah pada poros/shaft dan kopling turbin akibat adanya momen puntir yang besar.

3.   Stator hubung singkat 1 phasa ke tanah/stator ground faultKerusakan akibat gangguan 2 phasa atau

antara konduktor kadang-kadang masih dapat diperbaiki dengan menyambung taping atau mengganti sebagian konduktor, tetapi kerusakan laminasi besi (iron lamination) akibat gangguan 1 phasa ke tanah yang menimbulkan bunga api dan merusak isolasi dan inti besi adalah kerusakan serius yang perbaikannya dilakukan secara total. Gangguan jenis ini meskipun kecil harus segera diproteksi.

4.   Rotor hubung tanah/field groundPada rotor generator yang belitannya tidak

dihubungkan oleh tanah (ungrounded system). Bila salah satu sisi terhubung ke tanah belum menjadikan masalah. Tetapi apabila sisi lainnya terhubung ke tanah, sementara sisi sebelumnya tidak  terselesaikan maka akan terjadi kehilangan arus pada sebagian belitan yang terhubung singkat melalui tanah. Akibatnya terjadi ketidakseimbangan fluksi yang menimbulkan vibrasi yang berlebihan serta kerusakan fatal pada rotor.

5.   Kehilangan medan penguat/Loss of excitationHilangnya medan penguat akan membuat

putaran mesin naik, dan berfungsi sebagai generator induksi. Kondisi ini akan berakibat pada rotor dan pasak/slot wedges, akibat arus induksi yang bersirkulasi pada rotor. Kehilangan medan penguat dapat dimungkinkan oleh :

a)     Jatuhnya/trip saklar penguat (41AC)b)      Hubung singkat pada belitan penguatc)      Kerusakan kontak-kontak sikat arang pada sisi penguatd)     Kerusakan pada sistem AVR

6. Tegangan lebih/Over voltageTegangan yang berlebihan

melampaui batas maksimum yang diijinkan dapat berakibat tembusnya (breakdown) design insulasi yang akhirnya akan menimbulkan hubungan singkat antara belitan.

Gangguan mekanis/panas (mechanical/thermal fault)Jenis-jenis gangguan mekanik/panas antara lain :

1. Generator berfungsi sebagai motor (motoring)Motoring adalah peristiwa berubah fungsi generator

menjadi motor akibat daya balik (reverse power). Disebabkan oleh turunnya daya masukkan dari penggerak utama. Akibat peristiwa motoring adalah pemanasan lebih pada sudu-sudunya, kavitasi pada sudu-sudu turbin air, dan ketidakstabilan pada sudu turbin gas.2. Pemanasan lebih setempat

Disebabkan: Kendornya bagian-bagian tertentu di dalam generator

seperti : pasak-pasak stator (stator wedges). Kerusakan laminasi

3. Kesalahan paralelKesalahan dalam memparalel

generator dapat mengakibatkan kerusakan pada bagian poros dan kopling generator, dan penggerak utamanya karena terjadinya momen puntir. 4. Gangguan pendingin stator

Gangguan pada media sistem pendingin stator akan menyebabkan kenaikan suhu belitan stator. Sehingga berakibat kerusakan belitan.

Gangguan sistem (system fault)

Generator dapat terganggu akibat adanya gangguan yang datang/terjadi pada sistem. Gangguan-gangguan sistem yang terjadi umumnya adalah :1. Frekuensi operasi yang tidak normal

(abnormal frequency operation)Perubahan frekuensi keluar dari batas-batas

normal di sistem dapat berakibat ketidakstabilan pada turbin generator.2. Lepas sinkron (Loss of synhcron)

Adanya gangguan di sistem akibat perubahan beban mendadak, switching, hubung singkat dan peristiwa yang cukup besar akan menimbulkan ketidakstabilan sistem.

3. Arus beban kumparan yang tidak seimbang (unbalance armature current)Pembebanan yang tidak seimbang

pada sistem/adanya gangguan 1 phasa dan 2 phasa pada sistem yang menyebabkan beban generator tidak seimbang yang akan menimbulkan arus urutan negatif. Sehinggaa akan menyebabkan adanya pemanasan lebih dan kerusakan pada bagian-bagian konstruksi rotor.

TEORI DASARUntuk memahami bagaimana generator

beroperasi, teori dasar operasi pertama harus dipahami. Teori Operasi Sebuah generator AC yang sederhana terdiri dari:

a) medan magnet yang kuatb) konduktor yang memutar melalui

medan magnet, danc) berarti dimana koneksi berkelanjutan

disediakan untuk konduktor karena mereka berputar

Besarnya tegangan AC yang dihasilkan oleh generator AC tergantung pada kekuatan medan dan kecepatan rotor. Kebanyakan generator dioperasikan pada kecepatan konstan, sehingga tegangan yang dihasilkan tergantung pada eksitasi lapangan, atau kekuatan.

Frekuensi dari tegangan yang dihasilkan tergantung pada jumlah kutub lapangan dan kecepatan di mana generator dioperasikan, seperti yang ditunjukkan dalam Persamaan

dimana :f = frekuensi (Hz)P = jumlah total kutubN = kecepatan rotor (rpm)120 = konversi dari menit ke detik dan dari kutub ke kutub pasangan 120 dalam Persamaan diperoleh dengan mengalikan faktor konversi berikut. 60 detik x 2 kutub 1 menit pasangan tiangDengan cara ini, unit frekuensi (hertz atau siklus / detik.) Diturunkan.

f = (10-1) NP 120

Kerugian dalam Generator AC Kerugian dalam Generator AC Yang sedang mengalir beban

melalui dinamo di semua generator AC. Seperti coil apapun, dinamo memiliki beberapa jumlah resistensi dan reaktansi induktif. Kombinasi ini membentuk apa yang dikenal sebagai resistansi internal, yang menyebabkan kerugian dalam sebuah generator AC. Ketika arus mengalir beban, drop tegangan dikembangkan di seluruh resistansi internal. Hal ini mengurangi drop tegangan dari tegangan output dan, tegangan karena itu, merupakan yang dihasilkan dan kekuasaan yang hilang dan tidak tersedia untuk memuat. Penurunan tegangan di generator AC dapat dicari dengan menggunakan Persamaan

Tegangan drop = iara + IaXLadimana :

Ia = angker saat ini Ra resistensi = angker XLA reaktansi induktif = angker

Kerugian HisteresisKerugian histeresis terjadi ketika inti besi di

sebuah generator AC tunduk pada efek dari medan magnet. Domain magnetik inti diadakan sejalan dengan bidang dalam jumlah yang berbeda-beda, tergantung pada kekuatan medan. Domain magnetik memutar, sehubungan dengan domain tidak diadakan sejalan, satu putaran penuh selama setiap putaran rotor. Ini rotasi domain magnetik di besi penyebab gesekan dan panas. Panas yang dihasilkan oleh gesekan ini disebut rugi histeresis magnetik.

Mengurangi Kerugian Histeresis

Untuk mengurangi kerugian histeresis, armatures AC sebagian besar terbuat dari baja silikon dipanaskan, yang memiliki kerugian histeresis inheren rendah. Setelah baja silikon dipanaskan dibentuk dengan bentuk yang diinginkan, laminasi yang dipanaskan sampai merah kusam dan kemudian dibiarkan mendingin. Proses ini, dikenal sebagai anil, mengurangi kerugian histeresis ke nilai yang sangat rendah. Kerugian Mekanikal putaran atau kerugian mekanis dapat disebabkan oleh gesekan bantalan, gesekan sikat pada komutator, dan gesekan udara (windage disebut), yang disebabkan oleh turbulensi udara karena putaran dinamo. pemeliharaan hati-hati dapat berperan dalam menjaga gesekan bantalan untuk minimum.

Bersihkan bantalan dan pelumasan yang tepat sangat penting untuk mengurangi gesekan bantalan. Sikat gesekan berkurang dengan memastikan: sikat tempat duduk yang tepat, gunakan sikat yang tepat, dan pemeliharaan ketegangan sikat yang tepat. Sebuah komutator halus dan bersih juga membantu dalam mengurangi gesekan kuas. Pada generator yang sangat besar, hidrogen digunakan dalam generator untuk pendinginan, hidrogen, yang kurang padat daripada udara, menyebabkan kerugian windage kurang dari udara. Efisiensi Efisiensi generator AC adalah rasio output daya berguna untuk masukan daya total. Karena setiap proses mekanis pengalaman beberapa kerugian, tidak ada generator AC bisa 100 persen efisien.

Macam-Macam Relay Proteksi Generator dan Fungsinya

2. Proteksi Stator

1. Proteksi diferensial

a. Sering dipakai pada generator berkapasitas di atas 1 MW

b. Untuk melindungi dari gangguan antar belitan, misal gangguan fase-

fase, fase ketanah. Kinerja rele sekitar 80-85%.

c. Cara kerja rele differensial adalah dengan cara membandingkan arus

pada sisi primer dan sisi sekunder. Dalam kondisi normal, jumlah

arus yang mengalir melalui peralatan listrik yang diproteksi

bersirkulasi melalui loop pada kedua sisi di daerah kerja. Jika terjadi

gangguan didalam daerah kerja rele differensial, maka arus dari

kedua sisi akan saling menjumlah dan rele akan memberi perintah

kepada circuit breaker untuk memutuskan arus.

d. Dikenal : rele bias differential atau longitudinal differential

e. Rele diferensial tidak tanggap terhadap gangguan eksternal dan beban lebih, tetapi rele ini tanggap terhadap gangguan antar fase dan bocor ke tanah, kinerja rele ini sekitar 80-85%.

f. Bias coil untuk menyetel stabilitas

g. Restrain coil adalah kumparan yang menahan bekerjanya rele di daerah unbalance curent (Iµ)

i. Fungsi saat terjadi stator fault :

1) Mengisolasi generator terganggu dari sistem.

2) Memutus eksitasi

3) Mematikan penggerak mula

4) Mengaktifkan CO2 atau alarm.

i. Rele diferensial yang khusus untuk gangguan bocor ke tanah :

1) Sistem empat terminal2) Netral terkopel dalam generator

3) Tak tanggap terhadap gangguan fase4) Sering dikenal dengan restricted earth fault, pada waktu terjadi gangguan di daerah pengamannya, maka kedua arus sekunder CT besarnya tidak sama oleh karena itu, akan ada arus yang mengalir pada rele, selanjutnya rele bekerja

2. Proteksi gangguan antar belitan 

a. Longitudinal differensial tak dapat mendeteksi gangguan internal.

b. Proteksi diferensial transversal dapat mendeteksi ketidakseimbangan antara belitan- belitan identik secara normal disebabkan oleh suatu gangguan antar lilitan ketika generator mempunyai dua belitan per fasa

c. Bias digunakan karena pembagian itu tidak akan pernah tepat. Proteksi diferensial transversal yang dibiaskan untuk memproteksi terhadap gangguan-gangguan antar liltan

d. Tepat untuk generator yang mempunyai belitan parallel

e. Cara kerja rele differensial untuk multi winding adalah jika terjadi gangguan d CTs atau CTi maka gangguan akan segera di groundkan

http://1.bp.blogspot.com/_IfD2diuJcCg/TQQM7BB0N2I/AAAAAAAAAOw/3e8ChhVR0cg/s1600/Picture5.png

3. Proteksi panas-lebih pada stator 

a. Kemungkinan disebabkan :

1) Kegagalan sistem pendingin

2) Pembebanan lebih

3) Kerusakan inti : hubung pendek laminasi

4) Kegagalan isolasi pada inti

b. Metode deteksi panas :

1) Generator besar (>2MW) (a) membandingkan suhu pendinginan : suhu masuk & keluar(b) Menanam sensor panas pada alur stator(c) Sensor : thermistor, thermocouple, resistance temperature indicator (missal PTC)

2) Generator kecil       Memasang batang bi-metal pada stator. Sensor panas mekanis : thermocouple, thermistor tak dapat dipasang pada rotor, kesulitan mekanisme pada slip ring. Sensor panas pada rotor dengan cara mengukur perubahan resistans rotor yang dikalibrasi dengan suhu.

Proteksi rotor (Rotor Protection)

Kumparan dan inti rotor dapat rusak karena gangguan tanah,kegagalan eksitasi,

 proteksi tak imbang.

1. Proteksi terhadap ground fault (gangguan tanah)

Ground fault dideteksi dengan mem-biased rangkaian medan dengan

tegangan dc, yang menyebabkan akan ada arus mengalir melalui rele jika terjadi

gangguan tanah (gambar 3.9). Cara ini lebih unggul dibandingkan memberi

tegangan bias  dc pada titik tengah medan, karena meniadakan null point, juga

lebih baik dibandingkan ac biasing voltage karena meniadakan arus kapasitif.

a. Medan terbuka, proteksinya sama dengan proteksi loss of field.

b. Arus stator tak imbang

Keadaan sistem yang menimbulkan arus tak imbang

yang berbahaya (harmful unbalanced condition) adalah:

a. Terbukanya (open circuiting) salah satu fase pada saluran atau

kegagalan kontak pada salah satu fase CB.

b. Gangguan tak imbang yang terjadi di dekat pembangkit yang

tidak segera ditrip oleh pengaman yang ada.

c. Gangguan tak imbang di dalam stator

Dampak secara singkat :  timbul vibrasi poros tak sentris gaya magnetic tak imbang magnet tak imbang fluks pada celah udara tak imbang medan terhubung singkat Single ground fault, memungkinkan stator menginduksi rotor

1. Kegagalan Eksitasi

a. Sebab kegagalan eksitasi : 

1) Kegagalan arus eksitasi

2) Kesalahan operasi

3) Kasalahan karena operasi pindah kuadran 1 ke 4.

Penyelesaian

Proteksi loss of field mula-mula berfungsi memberi

alarm, dan kemudian baru mentrip CB apabila batas

ketahanan generator terkena, atau kemungkinan akan

kehilangan stabilitas sistem.

Dengan under-current relay, kesulitannya adalah arus

induksi dapat menyebabkan rele trip, apabila settingnya

terlampaui. Dipasang pada rangkaian medan.

Dengan offset impedans atau mho relay dipasang pada

rangkaian stator.

Proteksi terhadap gangguan tidak seimbang

a) Sebab terjadinya gangguan tidak seimbang

◦ Terjadi gangguan pada stator

◦ Ketidakseimbangan beban tak segera diputus

◦ Terbuka salah satu fase

◦ Kegagalan kontak CB

◦ Ketahanan rotor I22.t = K K = konstanta pendinginan,   K = 7 untuk turbo generator-directCooling K = 60 untuk salient pole hydro-Generator

Nilai t berkisar 0,2 s.d. 2.000 detik.

Dampaknya :

1) Urutan negatif menyebabkan

double frequency arus diinduksikan

ke inti rotor

2) Jika berlangsung lama rotor akan

panas

Out of step relay hanya untuk satu

fase, keadaan diatas dengan mentrip

CB (atau dengan ohm relay).

Proteksi lain (Miscellaneous)

1. Proteksi tegangan lebiha) Sebab tegangan lebih :

Kegagalan regulator tegangan Beban lepas mendadak Kecepatan meningkat

b) Penyelesaian : Dipasang rele teganganlebih, khususnya pada

generator-gas dan generator hidro. Pada generator-turbo, tidak akan terjadi

peningkatan kecepatan.

Proteksi terhadap putaran (n)

Pada generator-turbo dilengkapi mechanical overspeed, dirancang untuk penolakan beban sampai 100%.

Emergency centrifugal overspeed disetel 110%

Generator turbo skala besar dilengkapi rele lepas sinkron 180%, slip satu pole, sensitive fast power relay.

Kegagalan sistem elektris (CB, dll) dapat menyebabkan kecepatanlebih

Proteksi efek motoring

a) Sebab efek motoring :Suplai uap / bahan bakar / air terputus

b) Dampaknya :Turbin panas karena tidak ada uap yang mendorong udara panas akibat winding loss dalam turbin

c) Penyelesaian :

Dipasang rele daya balik

Untuk diesel & gas-turbine setelan daya balik 2,5 s.d. 5,0%.

Proteksi terhadap terjadinya vibrasi

a) Sebab terjadinya vibrasi :

◦ Panas lebih akibat kegagalan mekanis atau

ketidaknormalan

◦ Ketidakseimbangan arus stator

◦ Gangguan tanah pada rangkaian rotor

◦ Rotor tak sentris

b) Penyelesaian :

◦ Memasang rele unbalance & earth fault

◦ Memasang vibration detector

Proteksi terhadap bantalana) Sebab terjadinya kegagalan bantalan :

◦ Poros tak sentris

◦ Kegagalan pelumasan & pendinginan

b) Penyelesaian :

◦ Memasang sensor suhu pada lubang bantalan

◦ Mendeteksi aliran media pelumas sebagai

pendingin

Proteksi terhadap kegagalan peralatan bantu

Dimaksudkan proteksi peralatan lain

yang secara langsung atau

berpengaruh terhadap kinerja

generator, missal sensor tekanan

ketel, sensor permukaan air ketel, dll

Proteksi terhadap kegagalan regulator tegangan

a) Regulator tegangan (AVR) sangat penting. Sistem eksitasi perlu dipasang :◦ Definite overcurrent relay untuk menghindari

terjadinya eksitasi lebih dalam waktu yang lama. 

◦ Trafo terpisah untuk catu daya kontrol sistem eksitasi

◦ Undervoltage relay diperlukan untuk menjamin agar eksitasi tidak bekerja pada tegangan kurang.

Proteksi terhadap pole-slipringa) Bagi generator berdaya besar, pemasukan/pemutusan

CB atau beban besar dilepas atau disambung mendadak akan menyebabkan osilasi bagi kecepatan generator, berdampak pada osilasi arus, tegangan dan factor daya. Rele proteksi tidak boleh menanggapi keadaan ini. Dalam kasus tertentu jika pergeseran sudut berlagsung lama sampai melebihi batas setelan, maka generator bisa dalam keadaan tak sinkron, maka proteksi harus memutus generator.

b) Tindakan alternatif : mengurangi beban atau memutus eksitasi agar generator berfungsi sebagai mesin asinkron untuk menekan osilasi.

Field suppression

Di saat generator mengalami gangguan internal dalam belitan, sekalipun beban generator telah dilepas, generator tetap mencatu arus sangat besar di titik gangguan.

a) Tindakan :◦ Diusahakan memutus arus eksitasi secepat-

cepatnya. Sekalipun arus eksitasi telah dilepas, tegangan di belitan medan tak segera hilang.

◦ Perlu dipasang resistor parallel dengan belitan medan sebelum membuka eksitasi.

Backup protectionGenerator daya besar tidak

menggunakan definite over current sebagai backup protection.

Dipasang inverse overcurrent relay, reactance or impedance relay, distance relay

Untuk meningkatkan kinerja overcurrent relay pada stator perlu ditambah unrestricted earth fault relay.

Kesimpulan Relay Proteksi generator adalah suatu sistem

pengamanan menggunakan relay yang berfungsi mengamankan peralatan-peralatan listrik yang terpasang pada Generator dari kondisi-kondisi operasi abnormal.

Yang dimaksud dengan kondisi abnormal tersebut antara lain dapat berupa :◦ gangguan tanah◦ gangguan tidak seimbang◦ gangguan antar belitan◦ hubung singkat◦ gangguan antar belitan◦ tegangan lebih/kurang◦ panas lebih◦ frekuensi sistem turun/naik◦ dan lain-lain

Relay proteksi generator mempunyai macam-macam jenis berdasarkan fungsinya.

Relay proteksi generator melindungi dua bagian utama generator yaitu stator dan rotor.

Pada stator dilakukan proteksi diferensial, proteksi gangguan antar belitan dan proteksi panas lebih.

Pada rotor dilakukan proteksi terhadap ground fault (gangguan tanah), proteksi kegagalan eksitasi dan proteksi gangguan tidak seimbang.

Proteksi lain terhadap generator adalah proteksi tegangan lebih, proteksi putaran (n), proteksi efek motoring, proteksi terjadinya vibrasi, proteksi bantalan, proteksi kegagalan alat bantu, proteksi kegagalan regulator tegangan, proteksi pole-slipring, field suppresion, dan back up protection.

Daftar Pustaka◦ http://file.upi.edu/Direktori/FPT

K/JUR._PEND._TEKNIK_ELEKTRO/195512041981031 BACHTIAR_HASAN/SISTEM_PROTEKSI_PEMBANGKITAN_TENAGA_LISTRIK.pdf

12 September 2013, 13:11

◦ http://proteksigenerator.blogspot.com/ 12 September 2013, 13:20

◦ http://dunia-listrik.blogspot.com/2008/12/proteksi-generator.html12 September 2013, 13:25

◦ http://anak-elektro-ustj.blogspot.com/2013/04/relay-proteksi-generator.html 17 September 2013, 05:30