PROTEKSI GENERATOR

Generator  merupakan peralatan sistem tenaga yang paling mahal,dan dihadapkan kepada berbagai

kemungkinan gangguan. Kapasitas unitnya mencapai 500 MW, sehingga kegagalan unit pembangkit

akan menyebabkan kelebihan beban pada pembangkit lain, bahkan mungkin menyebabkan

instabilitas. Sistem proteksi generator perlu mendeteksi semua kondisi abnormal, tetapi sederhana dan

tinggi keandalannya. Relay proteksi hanya boleh mentrip CB kalau memang diperlukan, dan jika

harus trip rele tidak boleh gagal atau terlambat. Resiko yang dihadapi adalah pemadaman panjang,

kerusakan yang sukar diperbaiki, atau keduanya.

Masalah lain pada proteksi generator adalah bahwa dengan membuka CB, gangguan belum akan

berhenti karena penggerak mula yang masih bekerja dan sistem eksitasi masih tersambung. Karena itu

pembukaaan CB dilakukan bersamaan dengan penghentian masukan bahan bakar atau air dan

pemutusan arus eksitasi, diikuti dengan pengereman. Pada saat start-up, sistem proteksi tidak boleh

bekerja mentrip CB disebabkan oleh frekuensi atau tegangan generator yang belum mencapai nilai

normal.

Proteksinya sangat kompleks dan presisi.Generator-set modern umumnya dilengkapi proteksi :

A. Proteksi stator (Stator Protection)

1. Proteksi diferensial

a. Sering dipakai pada generator berkapasitas di atas 1 MW (gb 3.3.a)

b. Untuk melindungi dari gangguan antar belitan, missal gangguan fase-fase, fase ke tanah. 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

     Gambar 3.1 Relay Differensial

Gambar 3.2 Longitudinal differential protection

e. Jika terjadi gangguan internal maka polaritas CT atas akan berbalik, seperti ditunjukkan pada

gambar 3.4, sehingga operating coil(kumparan yang mengerjakan rele) beroperasi memberikan sinyal

untuk mentripkan CB

f. 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%

g. Bias coil untuk menyetel stabilitas

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

Gambar 3.3 Rele diferensial saat gangguan eksternal

Gambar 3.4 Rele diferensial saat        gangguan internal

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 terminal

2) Netral terkopel dalam generator, seperti gambar 3.5

3) Tak tanggap terhadap gangguan fase

4) 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

Gb. 3.5 Rele diferensial empat terminal

 

Gb. 3.6 Rele Diferensial untuk multi-winding

2. Proteksi gangguan antar belitan 

a. Longitudinal differensial tak dapat mendeteksi gangguan internal.

b. Modifikasi seperti gb. 3.6 untuk gangguan internal

c. Tepat untuk generator yang mempunyai belitan paralle

d. Cara kerja rele differensial untuk multi winding adalah jika terjadi gangguan d CTs atau CTi maka

gangguan akan segera di groundkan

e. Generator-hidro per kutub mempunyai belitan parallel, digunakan split-phase-protection, seperti

gb.3.7

f. Deteksi gangguan internal dengan prinsip arus urutan nol, seperti gb. 3.8.

Gb. 3.7 Split-phase-protection  

Gb. 3.8 Rele prinsip urutan nol

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) seperti gb.3.9.

2) Generator kecil 

       Memasang batang bi-metal pada stator

c. 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 terhadap suhu.

B. 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

d. Dampak secara singkat : 

Single ground fault, memungkinkan stator menginduksi rotor medan terhubung singkat fluks

pada celah udara tak imbang magnet tak imbang gaya magnetic tak imbang poros tak sentris

timbul vibrasi

Gambar 3.9 proteksi gangguan tanah

2. Kegagalan Eksitasi

a. Sebab kegagalan eksitasi : 

1) Kegagalan arus eksitasi

2) Kesalahan operasi

3) Kasalahan karena operasi pindah kuadran 1 ke 4.

b. Dampaknya :

1) Kecepatan naik mendadak

2) Generator beroperasi sebagai generator induksi

3) Rotor mengalami panas lebih, kecuali pada rotor salient pole.

4) Stator panas karena diisap rotor sebagai daya induksi

5) Jika generator besar, akan menyerap daya reaktif dari sistem

6) Perlu sensor automatis sebelum rotor panas.

c. Penyelasaian

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.

1) Dengan under-current relay, kesulitannya adalah arus induksi dapat menyebabkan rele trip, apabila

settingnya terlampaui. Dipasang pada rangkaian medan.

2) Dengan offset impedans atau mho relay dipasang pada rangkaian stator

Gambar 3.10

Proteksi terhadap gangguan hilang

penguat generator menggunakan rele Mho

3. Proteksi terhadap gangguan tidak seimbang

a. Sebab terjadinya gangguan tidak seimbang :

1) Terjadi gangguan pada stator

2) Ketidakseimbangan beban tak segera diputus

3) Terbuka salah satu fase

4) Kegagalan kontak CB

5) Ketahanan rotor I22.t = K

(a) K = konstanta pendinginan,  

(b) K = 7 untuk turbo generator-directCooling

(c) K = 60 untuk salient pole hydro-Generator

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

b. 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).

C. Proteksi lain (Miscellaneous)

1. Proteksi tegangan lebih

a. Sebab tegangan lebih :

1) Kegagalan regulator tegangan

2) Beban lepas mendadak,

3) Kecepatan meningkat

b. Penyelesaian :

1) Dipasang rele teganganlebih, khususnya pada generator-gas dan generator hidro.

2) Pada generator-turbo, tidak akan terjadi peningkatan kecepatan.

2. Proteksi terhadap putaran (n)

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

100%.

b. Emergency centrifugal overspeed disetel 110%

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

relay.

d. Kegagalan sistem elektris (CB, dll) dapat menyebabkan kecepatanlebih

3. 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 :

1) Dipasang rele daya balik

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

4. Proteksi terhadap terjadinya vibrasi

a. Sebab terjadinya vibrasi :

1) Panas lebih akibat kegagalan mekanis atau ketidaknormalan

2) Ketidakseimbangan arus stator

3) Gangguan tanah pada rangkaian rotor

4) Rotor tak sentris

b. Penyelesaian :

1) Memasang rele unbalance & earth fault

2) Memasang vibration detector

5. Proteksi terhadap bantalan

a. Sebab terjadinya kegagalan bantalan :

1) Poros tak sentris

2) Kegagalan pelumasan & pendinginan

b. Penyelesaian :

1) Memasang sensor suhu pada lubang bantalan

2) Mendeteksi aliran media pelumas sebagai pendingin

6. 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

7. Proteksi terhadap kegagalan regulator tegangan

a. Regulator tegangan (AVR) sangat penting. Sistem eksitasi perlu dipasang :

1) Definite overcurrent relay untuk menghindari terjadinya eksitasi lebih dalam waktu yang lama. 

2) Trafo terpisah untuk catu daya kontrol sistem eksitasi

3) Undervoltage relay diperlukan untuk menjamin agar eksitasi tidak bekerja pada tegangan kurang

Gambar 3.12 Saat AVR bekerja normal dan generator berbeban 

Gambar 3.13 Saat AVR gagal / loss dan generator berbeban

Gambar 3.14  Saat AVR gagal / loss dan beban generator dilepas

8. Proteksi terhadap pole-slipring

a. 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.

9. 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 :

1)  Diusahakan memutus arus eksitasi secepat-cepatnya. Sekalipun arus eksitasi telah dilepas,

tegangan di belitan medan tak segera hilang.

2) Perlu dipasang resistor parallel dengan belitan medan sebelum membuka eksitasi..

10. Back up protection (Relay cadangan)

Pada generator berdaya besar, karena pengaruh reaktans sinkron arus gangguan pada suatu lokasi bias

bernilai lebih rendah dari arus nominalnya. Oleh karena itu definite overcurrent relay sebagai back up

protection tidak tepat lagi.

a. Tindakan : 

1) Perlu dipasang inverse overcurrent relay, reactance or impedance relay, distance relay

2) Untuk meningkatkan kinerja overcurrent relay pada stator perlu ditambah earth fault relay dengan

inverse time yang terpasang pada batang pentanahan titik netral, dikenal sebagai unrestricted earth

fault relay.

Bagian hulu dari sistem tenaga listrik adalah generator yang terdapat dipusat listrik dan

digerakkan oleh mesin penggerak mula (prime mover). Mesin penggerak dalam pusat listrik

berkaitan erat dengan instalasi mekanis dan instalasi listrik dari pusat listrik. Generator

sebagai sumber energi listrik dalam sistem perlu diamankan jangan sampai mengalami

kerusakan karena kerusakan generator akan sangat menggangu jalannya operasi system

tenaga listrik. Oleh karenanya generator sedapat mungkin harus dilindungi terhadap semua

gangguan yang dapat merusak generator. Tetapi dilain pihak dari segi selektifitas pengaman

sistem diharapkan agar PMT generator tidak mudah trip terhadap gangguan dalam system,

karena lepasnya generator dari sistem akan mempersulit jalannya operasi sistem tenaga

listrik. PMT generator hanya boleh bekerja apabila ada gangguan yang tepat ada didepan

generator, didalam generator atau pada mesin penggerak generator. Juga apabila terjadi

kegagalan dari PMT yang ada di depan PMT generator, baru PMT generator boleh

bekerja. Mengingat generator merupakan peralatan yang penting dan nilainya juga cukup

mahal, maka diusahakan pengaruh gangguan dibatasi sampai sekecil mungkin. Antara lain

dengan menditeksi keadaan gangguan secara tepat dan mengisolasikan mesin terhadap sistem

yang sehat secara cepat. Gangguan pada generator antara lain dapat disebabkan oleh:

a)      Beban lebih (overload).

b)      Panas lebih (overheating) pada lilitan dan bearing.

c)      Tegangan lebih (overvoltage) dan kecepatan lebih.

d)     Kehilangan medan penguat (loss of field).

e)      Daya balik (motoring).

f)       Arus tidak seimbang (unbalance current) pada stator.

g)      Out of step.

Sebagian besar gangguan di atas perlu dihilangkan dengan cara melepaskan generator

terhadap sistem melalui pemutus tenaga utama (main circuit breaker) dan bila memungkinkan

melepas pemutus tenaga medan penguat. 

 

Gambar. Bagan Generator dengan Mesin Penggerak dan Medan Penguat

Untuk jenis gangguan tertentu selain cara di atas, mesin penggerak dihentikan beroperasi.

Bila terjadi gangguan yang masih pada batas yang diizinkan biasanya sistem hanya

memberikan peringatan saja. Menentukan tindakan seperti yang disebutkan di atas harus

dilakukan secara cermat dan hati-hati, karena kesalahan dalam menentukan dapat

mempengaruhi tingkat pelayanan yang baik.

Klasifikasi Gangguan Pada Generator:

Secara teknis, terdapat beberapa macam gangguan yang mungkin terjadi pada generator

pembangkit tenaga listrik. Gangguan pada generator pembangkit tenaga listrik tersebut dapat

diklasifikasikan seperti berikut ini :

A.    GANGGUAN LISTRIK/ELECTRICAL FAULT

Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul dan terjadi pada bagian-bagian listrik dari

generator. Gangguan-gangguan tersebut antara lain :

1.      Hubung singkat 3 phasa

Terjadinya 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 atau 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 fault

Kerusakan 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 ground

Pada 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 excitation

Hilangnya 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 penguat

c)      Kerusakan kontak-kontak sikat arang pada sisi penguat

d)     Kerusakan pada sistem AVR

6.      Tegangan lebih / Over voltage

Tegangan yang berlebihan melampaui batas maksimum yang diijinkan dapat berakibat

tembusnya (breakdown) design insulasi yang akhirnya akan menimbulkan hubungan singkat

antara belitan. Tegangan lebih dapat dimungkinkan oleh mesin putaran lebih/overspeed atau

kerusakan pada pengatur tegangan otomatis/AVR.

B.     GANGGUAN MEKANIS/PANAS (MECHANICAL/THERMAL FAULT)

Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul atau terjadi akibat adanya gangguan

mekanik dan panas pada Generator, antara lain :

1.      Generator berfungsi sebagai motor (motoring)

Motoring adalah peristiwa berubah fungsi generator menjadi motor akibat daya balik (reverse

power). Daya balik terjadi disebabkan oleh turunnya daya masukkan dari penggerak utama

(prime mover). Dampak kerusakan akibat peristiwa motoring adalah lebih kepada penggerak

utama itu sendiri. Pada turbin uap, peristiwa motoring akan mengakibatkan pemanasan lebih

pada sudut-sudutnya, kavitasi pada sudut-sudut turbin air, dan ketidak stabilan pada sudut

turbin gas.

2.      Pemanasan lebih setempat

Pemanasan lebih setempat pada sebagian stator dapat dimungkinkan oleh :

a)      Kerusakan laminasi

b)      Kendornya bagian-bagian tertentu di dalam generator seperti : pasak-pasak stator (stator

wedges). 

3.      Kesalahan paralel

Kesalahan dalam memparalel generator karena syarat-syarat sinkron tidak terpenuhi dapat

mengakibatkan kerusakan pada bagian poros dan kopling generator, dan penggerak utamanya

karena terjadinya momen puntir. Kemungkinan kerusakan lain yang timbul, kerusakan PMT

dan kerusakan pada kumparan stator akibat adanya kenaikan tegangan sesaat.

4.      Gangguan pendingin stator

Gangguan pada media sistem pendingin stator (pendingin dengan media udara, hidrogen, atau

air) akan menyebabkan kenaikan suhu belitan stator. Apabila suhu belitan melampaui batas

ratingnya akan berakibat kerusakan belitan.

C.    GANGGUAN SISTEM (SYSTEM FAULT)

Generator dapat terganggu akibat adanya gangguan yang dating/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. Perubahan frekuensi sistem dapat dimungkinkan oleh tripnya unit-unit

pembangkit atau penghantar (transmisi).

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. Apabila peristiwa

ini cukup lama dan melampaui batas-batas ketidakstabilan generator, generator akan

kehilangan kondisi paralel. Keadaan ini akan menghasilkan arus puncak yang tinggi dan

penyimpangan frekuensi operasi yang keluar dari seharusnya sehingga akan menyebabkan

terjadinya stress pada belitan generator, gaya puntir yang berfluktuasi serta resonansi yang

akan merusak turbin generator. Pada kondisi ini generator harus dilepas dari 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. Arus urutan negatif yang melebihi batas, akan mengiduksikan arus medan

yang berfrekuensi rangkap yang arahnya berlawanan dengan putaran rotor akan

menyebabkan adanya pemanasan lebih dan kerusakan pada bagian-bagian konstruksi rotor.

D.    SISTEM RELAY PROTEKSI GENERATOR

Relay proteksi utama yang digunakan pada generator yang ada di pembangkit, antara lain

adalah :

Penempatan Peralatan Pengaman Elektris pada Generator

o   Differential Relay:

Differential Relay untuk melindungi generator dari gangguan akibat hubung singkat (short

circuit) antar fasa-fase atau fase ke tanah. Cara kerja relay 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 relay differensial, maka arus

dari kedua sisi akan saling menjumlah dan relay akan memberi perintah kepada PMT/CB

untuk memutuskan arus.

        Stator  Earth Fault Relay:

Stator Earth Fault Relay untuk mendeteksi gangguan pentanahan atau grounding pada

generator. Ground fault dideteksi dengan mem-biased rangkaian medan dengan tegangan DC,

yang menyebabkan akan ada arus mengalir melalui relay jika terjadi gangguan tanah.

        Rele Tegangan Lebih (Over voltage 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. egangan 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.                    

         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:

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.

         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. 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.

        Rele Arus Lebih (Over current 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 : 

                              Single Line Diagram   Rele Arus Lebih

                                    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

        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 sinkron-nya 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.

        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.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 sebagai

berikut :

Single Line Diagram   Rele Daya Balik

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.

        Negative Phase Sequence Relay:

Negative Phase Sequence Relay untuk melindungi generator dari arus lebih urutan fasa

negative yang disebabkan oleh beban yang tidak seimbang.

        Out of Step Relay:

Out of Step Relay untuk melindungi generator dari Power Swing akibat perubahan beban dari

sistem transmisi yang dapat menyebabkan operasi generator tidak sinkron.

        Over excitationV/H z Relay:

Over excitationV/H z Relay untuk melindungi generator dari kejenuhan inti yang dapat

menyebabkan kenaikan tegangan.

        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.

        Reverse Power Relay:

Reverse Power Relay untuk menditeksi adanya daya balik/aliran arus dari sistem jaringan

yang akan menyebabkan generator bekerja sebagai motor.

Klasifikasi Relay Proteksi Generator :

1.      Berdasarkan prinsip kerja :

  Relay Elektromagnetis

  Relay Termis

  Relay Elektronis

  Rele Induksi

  Rele Gulungan Putar

  Rele Elektrodinamik 

yang paling umum digunakan untuk pengaman pada pembangkit tenaga listrik adalah jenis

relay dengan prinsip kerja elektromagnet dan induksi.

2.      Berdasarkan konstruksi :

  Tipe Angker Tarikan

  Tipe Batang Seimbang

  Tipe Cakram Induksi

  Tipe Kumparan Bergerak

3.      Berdasarkan besaran yang diukur :

  Relay Tegangan

  Relay Arus

  Relay Impedansi

  Relay Frekuensi

4.      Berdasarkan cara kerja kontrol elemen :

  Direct acting, kontrol elemen bekerja langsung memutuskan aliran

  Indirect acting, kontrol elemen hanya digunakan untuk menutup kontak suatu peralatan lain

5.      Berdasarkan karakteristik :

  Instantaneous

  Definite time delay, relay yang bekerja dengan kelambatan waktu

  Inverse

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

 Penempatan Peralatan Pengaman Elektris pada Generator

Jenis rele yang umum digunakan pada sistem pengaman elektris generator yang memiliki rating daya output yang cukup besar adalah :

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 sebagai berikut :

Single Line Diagram Rele Tegangan Lebih pada Generator

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 sebagai berikut :

Single Line Diagram Rele Gangguan Stator Hubung Tanah

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

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.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 sebagai berikut :

Single Line Diagram Rele Daya Balik

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 :

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 = KDimana, I2 = Arus urutan fasaT = waktuK = karakteristik kerjaRumus 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 diagramrele diferensial adalah sebagai berikut :

Single Line Diagram Rele Diferensial

Dalam keadaan normal Ir= I’2 - I’’2 =0 rele tidak kerja Gangguan di K Ir= I’2 rele kerjaGangguan 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 :

Single Line Diagram Rele Arus Lebih

Keterangan, CB = Circuit BreakerTC = Trip Coil CBI = Arus yang mengalir pada saluran yang diamankanCT = Transformator ArusIr = Arus yang mengalir pada releC = Rele arus lebihIp = 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.

Single Line Diagram Rele Impedansi

Keterangan : C = elemen startingP = power directionalD = elemen/rele jarakratio Ur/Ir = ZfaultSinyal 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.

Diagram Rele Kehilangan Medan Penguat Rotor

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 sinkron-nya 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.

Single Line Diagram Rele Kehilangan Sinkronisasi