ANALISIS SISTEM TENAGA

Analisis Gangguan

Dr. Muhammad Nurdin

Ir. Nanang Hariyanto, MSc

Departemen Teknik Elektro ITB

Pendahuluan

• Sistem tenaga listrik pasti mengalami gangguan dengan arus yang besar

• Alat proteksi arus lebih (CB+O/C relay, fuse) harus dapat mengisolasi lokasi hubung singkat agar kerusakan komponen minimal

• Perhitungan arus hubung singkat diperlukan untuk :– memperoleh perkiraan arus hubung singkat maksimum

mencek/memilih kapasitas CB, fuse, bus … & rating dan setting alat proteksi & koordinasi proteksi arus lebih

– memperoleh perkiraan arus h/s minimum menetap mencek sensitivitas alat proteksi

– evaluasi aliran arus h/s dan profil tegangan selama h/s

Sumber Arus Hubung Singkat

Arus (pada frekuensi daya) yang mengalir selama gangguan hubung singkat berasal dari mesin-mesin berputar.

Kapasitor daya dapat mengeluarkan arus transien yang besar tapi dalam waktu singkat (pd. f >> f daya).

4 kategori mesin berputar :• Generator sinkron• Motor sinkron dan synchronous condenser• Mesin induksi• Electric utility system (untuk sistem distribusi : gardu induk)

Besar arus h/s dari setiap mesin berputar dibatasi oleh impedansi mesin (= f(t)) dan impedansi antara mesin tsb dan gangguan

Generator sinkron

Z = R + jX Fasa

E

Netral

E = driving voltageX : Xd” (direct axis sub-transient reactance)

Xd’ (direct axis transient reactance)

Xd (direct axis steady state reactance)

Generator sinkron (lanjutan)

Besar reaktansi generator sinkron berubah bila generator merasakan adanya gangguan hubung singkat :

• Xd” = reaktansi sub-transien, menentukan arus pd. 1st cycle pada (frekuensi 50 Hz atau 60 Hz) dari awal gangguan ; setelah ~ 0,1 det. reaktansi naik menjadi :

• Xd’ = reaktansi transien, menentukan arus beberapa cycles dari awal gangguan ; setelah 0,5 - 2 det kemudian

reaktansi naik menjadi :• Xd = reaktansi sinkron menentukan arus setelah tercapai

keadaan tunakArus hubung singkat :

I = E/Z dengan Z = impedansi total antara teg. dalam generator dengan gangguan

Motor sinkron & Synchronous condenser

• Motor sinkron mensuplai arus hubung singkat seperti halnya generator sinkron

• Bila gangguan menyebabkan tegangan sistem turun motor mengalami penurunan suplai daya untuk memutar beban. Pada saat yang sama teg. dalam motor menyebabkan mengalirnya arus ke arah lokasi gangguan. Inersia motor dan beban berlaku sebagai penggerak mula, bila eksitasi motor konstan, motor akan berfungsi sebagai generator mensuplai arus gangguan.

• Reaktansi motor sinkron berubah dari : Xd” Xd’ Xd

• Arus h/s dihitung dengan menggunakan sirkit ekivalen generator sinkron

Synchronous condenser berperan seperti motor sinkron (tanpa beban)

Mesin Induksi

Motor Induksi• Motor Induksi rotor sangkar berkontribusi pada arus hubung

singkat hanya dalam beberapa cycles saja, kemudian hilang. Reaktansi motor induksi yang digunakan untuk menghitung arus h/s adalah Xd” yang besarnya mendekati locked-rotor reactance.

• Motor induksi rotor belitan yang ujung belitan rotornya dihubung singkat berlaku seperti MI rotor sangkar. Bila belitan rotornya dihubungkan dengan tahanan luar, konstanta waktu h/s nya kecil sehingga kontribusinya dapat diabaikan.

Generator Induksi• Pada perhitungan arus h/s = motor induksi.

Tipe Gangguan Hubung singkat

• Hubung singkat tiga-fasa (simetris)• Hubung singkat fasa ke fasa (line-to-

line)• Hubung singkat fasa-fasa-tanah• Hubung singkat fasa ke tanah

Metoda Perhitungan

• Untuk gangguan hubung singkat tiga-fasa (simetris) sistem tiga-fasa didekati dengan sirkit ekivalen fasa tunggal (fasa-netral). Dalam hal ini perlu diperhatikan batasan berikut :– Komponen-komponen sistem simetris (didesain simetris)– Pembebanan sistem (dapat dianggap) seimbang dan simetris.

• Untuk gangguan hubung singkat tak-simetris, diperlukan transformasi komponen simetris (komponen-komponen urutan positif, negatif dan nol).

• Perhitungan dilakukan dalam sistem per-unit

• Menggunakan teorema Thevenin dan Superposisi

Impedansi komponen sistemUntuk perhitungan hubung singkat

½ cycle Interrupting 3 – 5 cycles

30 cycles

Generator sinkron Xd” , R Xd” , R Xd’ atau Xd , R

Motor sinkron, Synchronous condenser

Xd” , R Xd” , R H/s maksimum : Xd’ , R

H/s minimum : diabaikan

Mesin induksi (rotor sangkar)

Xd” , R Xd” , R ---

Electric utility system

Xs , Rs Xs , Rs Xs , Rs

Beban statis X , R X , R X , R

Algoritma Perhitungan Arus Hubung Singkat

• Siapkan diagram-diagram sistem• Kumpulkan dan konversikan data impedansi

ke sistem pu• Hitung impedansi ekivalen (ekivalensi seri,

paralel dan transformasi Y -)• Hitung arus hubung singkat - First cycle short circuit current duties - Interrupting short circuit current duties - 30 cycles minimum short circuit currents

Perhitungan Arus Hubung Singkat

First cycle short circuit current duties :

Arus h/s simetris Isc sym = (Epu / Zpu) . Ibase

~ (Epu / Xpu) . Ibase

Arus h/s total (asimetris) maks. Isc tot = Isc sym + Idc

= k Isc sym Ibase

k : faktor pengali = 1,6 (ANSI/IEEE C37.010-1979)

= 1,55 (ANSI/IEEE C37.41-1981)

Perhitungan Arus Hubung Singkat (lanjutan)Interrupting short circuit current duties

Arus h/s simetris = k (Epu / Xpu) . Ibase

Arus h/s total = k Isc sym Ibase

k : faktor pengali

(fungsi X/R dilihat dari di titik gangguan

dan kecepatan CB)

Perhitungan Arus Hubung Singkat (lanjutan)30 cycles minimum short circuit

currents

Arus h/s = Arus h/s simetris = (Epu / Xpu) . Ibase