- 1 -

I. PROTEKSI GENERATOR

Gangguan pada generator dapat dibagi atas:

1. Gangguan hubung singkat. 2. Gangguan bukan hubung singkat.

1. Gangguan Hubung singkat dapat dibagi atas : 1.1 Gangguan pada stator

1. Hubung singkat fasa-tanah Proteksi generator untuk hubung singkat fasa ke tanah dibagi menjadi dua: - Proteksi generator yang netralnya ditanahkan, karena ada arus hubung singkat

yang mengalir pada penghantar pentanahan dan juga ada perbedaan besar arus yang mengalir pada belitan sebelum titik hubung singkat dan pada bedlitan yang terletak setelah hubung singkat, maka dapat digunakan cara seperti pada gambar 1.1 dan gambar 1.2

- 2 -

- Proteksi generator yang netralnya tidak ditanahkan.

Jika terjadi hubung singkat fasa ke tanah maka tidak akan ada arus gangguan tanah (earth fault current/ IEF) sehingga tidak dapat dipakai Current Relay seperti pada proteksi generator yang netralnya ditanahkan. Pada kasus ini titik netral yang tidak dihubungkan ke tanah akan bergeser dari letaknya semula menuju ke fase yang mengalami hubung tanah, hal ini dikenal dengan nama pergeseran titik netral (netral displacement). Untuk kondisi seperti ini, generator dapat diproteksi dengan menggunakan Neutral Displacement Relay. ( Prihal relay ini akan dibahas lebih detail pada Proteksi transformator )

2. Hubung singkat antar-fasa Besar arus hubung singkat antar-fasa tidak dipengaruhi oleh sistem pentanahan netral yang digunakan oleh belitan generator. Karena arus yang mengalir pada belitan generator setelah titik hubung singkat dapat diabaikan terhadap arus yang mengalir pada belitan sebelum titik hubung singkat, maka sistem proteksi yang sesuai dengan kasus ini adalah system proteksi yang tergambar pada gbr 1.2

3. Hubung singkat antar lilitan Misalkan salah satu fasa dari generator diambil, dan digambarkan seperti gambar 1.3:

- 3 -

CT1

Netral

Gambar 1.3

Output

CT2

Pada gambar tersebut diatas, terlihat bahwa hubung singkat antar lilitan tidak akan menyebabkan perbedaan arus yang lewat pada CT1 dan CT2, sehingga differensial relay tidak dapat mendeteksi kondisi gangguan tersebut.

Akan tetapi , apabila pada pembuatan generator, belitan stator per-fase telah dibuat terdiri dari dua belitan yang identik, maka system proteksi differential tetap dapat dipakai, seperti terlihat pada gambar 1.4. Sistem ini pada umumnya dibuat pada generator yang berkapasitas besar. ( orde MW ) Differential protection ini dapat mendeteksi ketidakseimbangan arus antara dua belitan yang timbul karena hubung singkat antar lilitan. Konsep proteksi yang digunakan dikenal dengan nama proteksi differential dengan sistem arus sirkulasi ( circulating current system differential protection )

Operating Coil

RestrainingCoil

Belitanstator

Gambar 1.4 Differential protection untuk generator dengan belitan ganda

Untuk Generator yang tidak dengan belitan tunggal untuk mendeteksi hubung singkat antar lilitan dapat dipakai konsep sebagaimana tergambar pada gambar 1.5.Cara kerja system ini adalah: - hubung singkat antar lilitan menimbulkan perbedaan tegangan pada terminal

ketiga fase generator tersebut dan ini akan menyebabkan terjadinya Vresidual (dari frekuensi dasar = 50/60 Hz)

- Vresidual dipakai untuk mengoperasikan Protection relay. - Harmonik ke-3 yang ditimbulkan oleh zero sequence disalurkan ke restraining

coil

- 4 -

Belitan stator

Voltage operatedwatt hourmetre type relay

TransformatorTegangan

S

T

R

Gambar 1. 5 Deteksi hubung singkat antar lilitan untuk belitan tunggal per fasa

1.2 Gangguan pada rotor

1. Hubung singkat belitan rotor-tanah Berdasarkan gambar 1.6, jika terjadi gangguan (fault) pada titik 1 maka hal

tersebut belum memberikan pengaruh terhadap rotor, namun jika gangguan juga terjadi pada titik 2 maka hal tersebut seolah-olah hubung singkat antar lilitan. Pengaruh dari hubung singkat dua titik ini adalah: - gaya tarik pada rotor menjadi tidak seimbang sehingga putarannya menjadi

berayun - mempercepat kerusakan bantalan - bisa mengakibatkan gesekan antara rotor dan stator, yang menyebabkan

pemanasan pada bagian yang bergesek, sehingga bisa menyebabkan sifat isolasi belitan stator, sehingga dapat menyebakan hubung singkat antara belitan atau hubung tanah.

Cara pendeteksian hubung singkat belitan rotor tanah ini, antara lain:

a. Potentiometer method b. AC Injection method c. DC Injection method

- 5 -

Gambar 1.6 Gangguan Hubung singkat 1 titik & 2 titik

1

2

a. Potentiometer Method

Gambar 1.7 memperlihatkan rangkaian pendeteksian hubung singkat belitan rotor ke tanah dimana terminal relay akan bertegangan jika terjadi suatu gangguan ke tanah pada belitan medan karena belitan tersebut paralel dengan resistor yang di-tap dibagian tengahnya ( Konsep Jembatan Wheatstone ) Metode ini sederhana dan tidak membutuhkan supply bantuan untuk mengoperasi relay, namun relay tidak dapat mendeteksi gangguan yang terjadi tepat ditengah belitan medan (blind spot), oleh karena itu ditambahkan push button switch untuk memindahkan posisi center tap dari resistor.

Exciter

VoltageRelay

Belitan medan

Push Button

Gambar 1.7 Potentiometer Method

b. AC Injection Method

Metode ini diperlihatkan pada gambar 1.8, jika terjadi gangguan dari belitan medan ke tanah maka akan terbentuk rangkaian tertutup yang melewati relay dan

- 6 -

tidak dipengaruhi oleh tegangan eksitasi. Metode ini dapat mendeteksi semua titik gangguan ke tanah, namun kekurangannya menyebabkan mengalirnya arus bocor (leakage current) oleh kapasitansi antara belitan medan ke tanah yang dapat menyebabkan kerusakan pada bantalan mesin. Kekurangan lainnya dibandingkan dengan metode sebelumnya adalah membutuhkan ac supply bantuan untuk pengoperasiannya sehingga jika ac supply mengalami kegagalan maka relay tidak akan beroperasi. Gambar 1.9 memperlihatkan pengaliran arus bocor tersebut pada rangkaian rotor.

Exciter

Aux.Transformer

Gambar 1.8 AC Injection method

VoltageRelay

Belitan Medan

Aux.Supply

Gambar 1.9 Pengaliran arus bocor pada AC Injection methode

Exciter

Belitan medan

rotor

VoltageRelay

Aux. Supply

c. DC Injection Methode

- 7 -

Metode ini prinsip kerjanya mirip dengan AC Injection Method dan kelbihannya adalh tidak akan timbul sirkulasi arus bocor pada bantalan rotor. Rangkaian DC Injection Methode seperti terlihat pada gambar 1.10.

Gambar 1.10 DC Injection method

+

-

Exciter

VoltageRelay

Aux.Supply

Aux.Transformer

Belitan Medan

1.3 Kondisi operasi abnormal

1. Hilangnya eksitasi

Eksitasi menimbulkan fluks pada rotor yang bergerak sehingga terjadi induksi ke stator yang selanjutnya menghasilkan tegangan, jadi eksitasi menghasilkan kopel magnetik (magnetic coupling) antara rotor dan stator. Pada kondisi normal (sinkron) maka frekuensi stator sama dengan frekuensi rotor ( fstator = frotor ) sehingga power dari prime mover hampir seluruhnya dapat ditransfer ke stator setelah dikurangi dengan friction and windage losses (rugi-rugi gesekan dan angin). Jika terjadi eksitasi melemah atau hilang maka akan menimbulkan frekuensi stator lebih kecil dari frekuensi rotor akibat melemahnya magnetic coupling sehingga sebagian power dari prime mover tidak dapat ditransfer ke stator. Perubahan frekuensi ini menyebabkan perubahan reaktansi belitan (X = 2π f ). Karena frekuensi stator berubah maka reaktansi statorpun berubah, sehingga impedansi yang terukur pada terminal stator menjadi: Zstator = Rstator + j XL = Rstator + j 2 π fstator Lstator Karena frekuensi stator melemah (berkurang) maka reaktansi stator juga berkurang seperti terlihat pada persamaan di atas, begitupula dengan impedansi stator dan relay yang bisa mendeteksi adanya perubahan impedansi adalah relay MHO. Sehingga relay MHO digunakan untuk mendeteksi hilangnya eksitasi pada rotor. Gambar yang memperlihatkan bentuk karateristik pada saat loss of excitation dapat dilihat pada gambar no: … dan no:……., sedang hal hal yang yang dipengaruhi oleh kondisi loss of excitation dapat dilihat pada gambar no:………

- 8 -

2. Beban yang tidak seimbang (Unbalance Load)

Terjadinya beban tidak seimbang pada generator disebabkan oleh: - Terputusnya salah satu fase pada system 3 fase. - Hubung singkat 1 phase ke tanah yang sangat dekat pada belitan

generator - Hubung singkat 2 phase pada stator generator.

Kondisi hubung singkat 1 pfase ketanah dekat belitan generator akan menimbulkan pemanasan yang sangat besar disebabkan karena negative phase sequence, yang bisa`menyebabkan metal dari rotor berubah sifat. Sebab itu konsep proteksi mengacu pada withsatand capacity dari rotor yang dituliskan dengan persamaan :

K = ( I2 )2 x t Dimana K adalah suatu konstanta. Dimana nilai K untuk kondisi operasi yang berbeda beda dapat dilihat pada gambar no:… Dan untuk memproteksi pengaruh negative phase sequence ini digunakan Negative Phase Sequence relay. Karakteristik Negative Phase Sequence relay dapat dilihat pada gambar no:……

3. Proteksi terhadap kondisi panas yang berlebihan ( Overheating )

Kondisi overheating pada generator sinkron dapat disebabkan karena :

1. Terbebani lebih.( Overload ) 2. Kegagalan sistem pendinginan ( Sistem ventilasi atau Sistem pendingin hydrogen ) 3. Adanya laminasi inti stator yang terhubung singkat. 4. Rusaknya isolasi baut pengikat inti stator.

Hal hal diatas apabila terjadi pada waktu yang cukup lama dan secara terus menerus dapat menyebabkan panas yang berlebihan pada belitan stator. Kondisi ini dapat dideteksi dengan menggunakan coil temperatture detector yang diselipkan pada beberapa tempat di belitan stator sehingga kenaikan suhu yang berlebihan pada belitan stator dapat dideteksi oleh detector tersebut. (Lihat gambar 1.11)

- 9 -

Gambar 1.11 Temperature Detector Coil

Temperature Detecting Coil

Aux. Supply

4. Kegagalan pada penggerak mula Untuk generator tunggal (dalam hal ini satu-satunya sumber daya), pengaruh dari gagalnya penggerak mula (putaran turun) maka frekuensi rotor akan turun dan bila exciter tidak dapat mengimbanginya maka tegangan output dari generator akan berkurang. Kondisi ini dapat dideteksi dengan menggunakan:

- frequency relay - undervoltage relay

Namun untuk generator yang bekerja paralel, kegagalan penggerak mula dapat mengakibatkan mengalirnya daya dari sistem ke generator, karena penggerak mula (prime mover) merupakan sumber daya aktif untuk mensupply:

- beban aktif - losses pada generator

sehingga jika terjadi keluaran penggerak mula menurun, maka supply daya ke generator akan diambil alih oleh sistem. Kondisi reverse power ini berdampak kurang baik pada penggerak mula dari pembangkit yang mengalami reverse power. Hal ini disebabkan karena putaran rotor yang berhubungan dengan sumbu penggerak mula tidak lagi berputar secara sinkron dengan putaran yang seharusnya terjadi akibat besar energi yang ditimbulkan oleh energi awal yang memutar penggerak mula. Akibatnya, pada pembangkit dengan tenaga bahan bakar diesel akan terjadi proses peletupan yang tidak sempurna, pada pembangkit dengan tena air akan timbul kondisi water hammer, dan pada turbin uap atau gas akan terjadi perubahan pada sifat metal dari turbin akaibat pemanasan yang berlebihan akibat perubahan laju uap atau gas pada turbin.

- 10 -

Untuk memproteksi gagalnya penggerak mula maka digunakan Reverse Power Protetion. Reverse Power Protection menggunakan Power Relay yang akan pick up bilamana arah pengaliran daya system kegenarator. Setiap pembangkit dapat menahan reverse power condition sampai kapasitas tertentu dari daya output generator, misalnya, Mesin diesel :….% Turbin Uap :…..% Turbin Gas :…..% Turbin Air :…...%

5. Kondisi dimana generator berputar pada putaran lebih besar daripada putaran nominal (n > nnominal) Apabila hal ini terjadi, maka akan terjadi over frequency, sehingga relay yang paling sesuai untuk mendeteksi kondisi ini adalah frequency relay, dimana pemilihan setting frequency untuk relay disesuai dengan penggerak mula yang dipakai.