Tegangan efektif pada terminal mesin tergantung pada hubungan stator generator apakah Y atau Δ. Bila stator mesin terhubung Y, maka tegangan terminalnya akan
√3 kali E
rms
, sedangkan bila stator terhubung Δ, maka tegangan terminalnya sama dengan
tegangan E
rms
.
II.4 Masalah Harmonisa pada Belitan Tiga Fasa
Harmonisa adalah gelombang yang muncul dengan frekuensi kelipatan dari frekuensi dasar gelombang. Harmonisa mengakibatkan efek yang tidak diinginkan pada
generator dan motor. Harmonisa yang mempunyai nilai magnitude yang besar adalah yang mempunyai orde yang kecil yaitu harmonisa ketiga, kelima, dan ketujuh.
Generator adalah mesin yang simetris dan mempunyai jumlah kutub utara dan selatan yang genap, sehingga menghilangkan semua harmonisa kelipatan genap.
Sehingga hanya harmonisa ganjil yang muncul. Pada frekuensi dasar 50 Hz, gelombang harmonisa yang muncul mempunyai frekuensi 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz dan seterusnya.
Gambar 2.5 Bentuk gelombang harmonisa Harmonisa pada generator disebabkan oleh distribusi fluks yang tidak merata. Pada
Gambar 2.6 kita dapat lihat sebuah rotor yang menyapu permukaan stator. Reluktansi
Universitas Sumatera Utara
medan magnet pada bagian tengah rotor lebih kecil daripada bagian sisi rotor. Hal ini terjadi karena celah udara pada bagian tengah rotor lebih kecil daripada pada bagian sisi
rotor. Akibatnya distribusi fluks tidak merata dan pada bagian tengah rotor mempunyai kerapatan fluks yang lebih besar.
B
R
N V
Gambar 2.6 Rotor ferromagnetik menyapu bagian konduktor stator
B
t a
Vt
t b
Gambar 2.7a Kerapatan distribusi fluks medan magnet sebagai fungsi waktu dan b Tegangan induksi pada konduktor stator
Universitas Sumatera Utara
Kerapatan fluks sebagai fungsi waktu ditunjukkan oleh Gambar 2.7a. Hal ini menyebabkan tegangan induksi yang dihasilkan tidak sinusoidal karena tegangan induksi
dipengaruhi langsung oleh fluks. Tegangan induksi resultan mempunyai bentuk yang sama seperti fluks sebagai fungsi waktu. Tegangan output yang terjadi tidak sinudoidal
murni dan mengandung beberapa komponen tegangan harmonisa. Bentuk gelombang tegangan induksinya adalah simetris di sekitar pusat fluksi rotor,
sehingga tidak terdapat harmonisa genap pada tegangan fasa. Harmonisa yang muncul hanya harmonisa ganjil . Sebagai contoh, sebuah generator berfrekuensi 60 Hz akan
mempunyai bentuk gelombang dasar 60 Hz, harmonisa ketiga dengan frekuensi 180 Hz, harmonisa kelima dengan frekuensi 300 Hz, harmonisa ketujuh dengan frekuensi 420
Hz, dan seterusnya. Pada umumnya, semakin besar urutan harmonisanya maka tegangan harmonisa
tersebut makin kecil. sehingga untuk tegangan harmonisa di atas deretan kesembilan pengaruhnya dapat diabaikan.
Beberapa kompone n harmonisa akan hilang karena hubungan fasa baik Y atau Δ,
dan harmonisa yang paling besar nilainya yang tersisa adalah komponen harmonisa ketiga. Bila tegangan pada masing – masing fasa adalah :
e
a = Em sin ωt Volt
2.19
e
b = Em sin ωt - 120 Volt 2.20
e
c = Em sin ωt - 240 Volt
2.21
Universitas Sumatera Utara
dan komponen tegangan harmonisa ketiga pada tegangan fasa adalah :
e
a
3
= Em
3
sin 3ωt Volt
2.22
e
b
3
= Em
3
sin 3ωt - 360 Volt 2.23
e
c
3
= Em
3
sin 3ωt - 720 Volt 2.24
Komponen harmonisa ketiga pada semua fasa adalah identik. Bila mesin sinkron terhubung Y maka harmonisa ketiga antara dua terminal akan bernilai nol sehingga arus
harmonisa tidak akan mengalir kecuali netralnya tersambung. Jika netral generator tersambung, arus harmonisa yang mengalir pada netral adalah penjumlahan dari arus
harmonisa pada ketiga fasanya. Bila mesin ini terhubung Δ maka tegangan harmonisa
ketiga ini akan mengalir pada belitan. Komponen yang muncul tidak hanya komponen harmonisa ketiga, namun juga
merupakan kelipatan dari harmonisa ketiga tersebut seperti 9, 27, dan sebagainya. Komponen ini disebut triplen harmonic dan selalu ada pada mesin sinkron.
Gambar 2.8 Arus harmonisa ketiga mengalir pada belitan hubungan Y yang netralnya tersambung
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Arus harmonisa ketiga tidak mengalir pada belitan hubungan Y yang tidak mempunyai netral
Gambar 2.10 Arus harmonisa ketiga berputar pada belitan hubungan Δ
Faktor – faktor yang mempengaruhi besarnya tegangan harmonisa pada sebuah generator adalah :
a. Konstruksi generator.
Pitch pada belitan stator merupakan faktor utama yang menentukan besarnya tegangan harmonisa yang dihasilkan oleh generator. Pada generator yang memiliki
tegangan harmonisa ketiga yang sedikit pada saat beroperasi normal, tidak dapat digunakan proteksi dengan menggunakan metode tegangan harmonisa ketiga.
b. Daya output MW dan MVAR generator.
Tegangan harmonisa ketiga bertambah seiring dengan bertambahnya daya aktif MW dari generator. Pada keadaan tidak berbeban atau beban ringan, tegangan
harmonisa ketiga yang dihasilkan berada pada nilai terendah, dan pada beberapa kasus,
Universitas Sumatera Utara
tegangan yang dihasilkan tidak cukup untuk pengaturan setting rele. Daya reaktif juga mempengaruhi besarnya tegangan harmonisa yang dihasilkan dan daya ini lebih sulit
diprediksi. Pada beberapa kasus, besar tegangan harmonisa ketiga berbanding lurus dengan MVAR output generator. Namun pada nilai MVAR tertentu, terjadi penurunan
tegangan harmonisa secara signifikan sehingga menyebabkan sulitnya penerapan metode proteksi tegangan harmonisa ketiga.
c. Kapasitansi pada terminal generator.
Kapasitansi belitan fasa – netral generator dan kapasitansi dari bus juga mempengaruhi besarnya tegangan harmonisa yang dihasilkan, walaupun tidak sebesar
dua faktor sebelumnya. Semakin besar kapasitansi terminal generator, maka makin besar pula tegangan harmonisa yang dihasilkan.
Arus harmonisa yang dihasilkan oleh generator menimbulkan pemanasan pada belitan, inti dan pada stator dan apabila pemanasan yang terjadi melebihi temperatur
yang diperbolehkan maka dapat merusak generator. Selain itu permasalahan utama yang timbul akibat adanya harmonisa ini adalah bentuk gelombang yang tidak sinusoidal
sehingga dapat menimbulkan kesalahan pembacaan pada alat – alat ukur.
Universitas Sumatera Utara
BAB III
PROTEKSI GANGGUAN TANAH PADA STATOR GENERATOR III.1 Umum
Arus gangguan tanah adalah arus yang mengalir melalui pembumian. Sedangkan arus yang tidak melalui pembumian disebut arus gangguan fasa. Arus gangguan
semacam ini berbahaya bagi peralatan karena nilainya sangat besar dan dapat merusak isolasi peralatan tersebut. Arus gangguan hubung singkat ke tanah harus dapat dideteksi
dan kemudian diisolir agar tidak mengalir ke peralatan sistem tenaga listrik.
III.2. Metode Pembumian Generator
Metode pembumian suatu generator menentukan jenis proteksi gangguan tanah yang akan diterapkan. Faktor kuncinya adalah arus gangguan tanah yang muncul pada sistem
tersebut. arus ini dapat bervariasi dari beberapa ampere sampai sebesar arus gangguan tiga fasa.
III.2.1 Sistem yang tidak dibumikan Suatu sistem dikatakan tidak dibumikan apabila tidak terdapat hubungan fisik antara
netral dan tanah. Hanya terdapat kapasitansi dari sistem tersebut ke tanah. Kapasitansi terbesar adalah kapasitansi yang berasal dari belitan stator generator.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.1 Generator yang tidak dibumikan Jika kapasitansi pada tiap fasa ke tanah sama besarnya, maka tegangan fasa ke netral
pada keadaan normal akan muncul pada tiap fasa dan tanah seperti Gambar 3.5a. Arus hubung singkat fasa ke tanah pada sistem yang tidak dibumikan adalah fungsi dari
kapasitansi shunt ke tanah dan biasanya bernilai kurang dari 10 A.
Gambar 3.2 Arus pengisian kapasitansi ke tanah pada sistem yang tidak dibumikan
Gambar 3.3 Tegangan kapasitansi tiap fasa ke tanah
Universitas Sumatera Utara
Pada keadaan normal, arus pengisian pada tiap fasa adalah:
I
a
= 3.1
I
b
= 3.2
I
c
= 3.3
Jika terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah, tegangan sistem akan berubah dan tegangan antara fasa yang sehat dengan tanah akan meningkat menjadi tegangan fasa –
fasa. Hal ini menyebabkan naiknya arus pengisian pada masing - masing fasa yang sehat sebesar
. arus gangguan tanah I
cf
merupakan penjumlahan dari arus pengisian pada fasa yang sehat I
b
dan I
c
. Arus pada fasa yang sehat menjadi:
I
b
= =
3.4
I
c
= =
3.5
Arus gangguan tanah menjadi tiga kali arus pengisian kapasitansi, seperti persamaan berikut:
I
cf
=I
b
+ I
c
=
= 3.6
III.2.2 Pembumian langsung Pada sistem pembumian langsung, tidak ada impedansi yang dihubungkan secara
sengaja antara titik netral generator dengan tanah. Setiap terjadi gangguan hubung
Universitas Sumatera Utara
singkat selalu mengakibatkan terputusnya saluran. Arus gangguan sangat besar sehingga berbahaya bagi peralatan. Pada metode ini, arus gangguan tanah dapat mencapai nilai
arus gangguan tiga fasanya. Pembumian langsung pada generator hanya dapat dilakukan jika reaktansi urutan nol
X generator cukup besar. Reaktansi ini berguna untuk membatasi arus gangguan tanah
agar lebih kecil dari arus gangguan tiga fasa. Metode ini hanya dapat diterapkan pada generator yang didesain khusus agar tahan terhadap arus gangguan yang tinggi.
III.2.3 Pembumian melalui tahanan tinggi Tahanan tinggi dihubungkan antara titik netral generator dengan tanah. Terkadang,
tahanan rendah dihubungkan pada belitan sekunder transformator satu fasa transformator distribusi atau pada pembumian netral transformator. Metode ini
membatasi arus gangguan tanah sebesar 5-10 A. Karakteristik pembumian tahanan tinggi adalah :
a. Tidak terjadi pemutusan pada gangguan tanah yang pertama kontinuitas pelayanan
baik, b.
Tidak berbahaya bagi manusia yang berada dekat titik gangguan, c.
Memperkecil resiko kerusakan pada peralatan, d.
Memperkecil tegangan lebih transient akibat gangguan busur tanah. III.2.4 Pembumian melalui transformator distribusi
Pembumian melalui transformator distribusi adalah cara yang paling sering digunakan untuk pembumian impedansi tinggi. Pada Gambar 3.4 ditunjukkan skema
pembumian menggunakan transformator distribusi. Tahanan yang dilihat pada netral generator sama dengan nilai ohmic dari resistor sekunder dikali dengan akar dari turn
Universitas Sumatera Utara
rasio transformator. Rangkaian yang ekivalen juga dapat diperoleh dengan memasang sebuah resistor langsung antara netral dan tanah. Kelebihan penggunaan transformator
distribusi ini adalah menghindari pemakaian resistor tegangan tinggi yang relatif mahal.
Gambar 3.4 Pembumian dengan transformator distribusi Belitan primer transformator harus mempunyai rating tegangan yang sama atau lebih
besar dari tegangan fasa-netral generator. Belitan sekunder transformator pembumian biasanya mempunyai tegangan sekunder 120 V atau 240 V. Transformator pembumian
harus mempunyai ketahanan terhadap tegangan lebih untuk menghindari saturasi jika generator bekerja pada tegangan yang lebih tinggi dari rating tegangannya.
Resistor yang dihubungkan pada belitan sekunder harus dipilih sedemikian rupa agar arus gangguan tanah I
f
yang datang dari transformator distribusi sama atau lebih besar dari arus gangguan tanah yang datang dari kapasitansi shunt sistem I
cf
. Biasanya arus dari transformator distribusi di atur agar sama dengan arus kapasitansi shunt sistem.
Arus gangguan yang mengalir melalui kapasitansi shunt I
cf
adalah :
I
cf
= 3.7
Universitas Sumatera Utara
Arus gangguan yang melalui resistor transformator distribusi adalah :
I
r
= 3.8
Dengan :
N = 3.9
Nilai ohmic dari resistor agar memenuhi syarat I
cf
= I
r
adalah :
R
sec
= 3.10
Jika resitor yang dipilih memenuhi spesifikasi ini, maka arus gangguan yang muncul biasanya akan bernilai 5 – 15 A.
III.2.5 Pembumian melalui kumparan peterson Metode ini mempunyai skema yang sama dengan pembumian dengan tahanan
tinggi, kecuali reaktor yang dapat diatur nilainya yang dipasang pada sekunder trafo. III.2.6 Pembumian melalui tahanan rendah
Titik netral generator dihubungkan ke tanah melalui sebuah tahanan yang berfungsi untuk membatasi arus gangguan tanah sampai beberapa ratus ampere 200-600 A. Arus
gangguan ini sangat besar dan dapat merusak stator, namun pada saat yang sama, arus ini cukup besar sehingga dapat dirasakan oleh rele sehingga didapat sistem proteksi yang
handal dan selektif. Sistem pembumian melalui tahanan rendah jarang digunakan sekarang karena
besarnya resiko kebakaran stator generator akibat besarnya arus yang mengalir saat
Universitas Sumatera Utara
gangguan. Namun, sistem pembumian ini paling sering digunakan untuk industri yang menggunakan tegangan menengah.
Karakteristik pembumian melalui tahanan rendah adalah : a.
Pemutusan akibat gangguan dapat dilakukan, b.
Memperkecil tegangan lebih transient akibat gangguan busur tanah, c.
Memperkecil kerusakan pada titik gangguan.
III.3 Gangguan Tanah Pada Stator
Gangguan hubung singkat ke tanah merupakan gangguan yang umum terjadi pada suatu generator. Gangguan ini dapat disebabkan oleh penuaan isolasi pada belitan karena
pengaruh lingkungan seperti kelembapan, minyak yang bercampur dengan debu yang terdapat pada permukaan luar slot stator. Hal ini dapat menyebabkan peluahan pada
bagian ujung belitan sehingga terhubung ke tanah. Jenis gangguan yang mungkin terjadi adalah :
a. Hubung singkat fasa ke tanah
b. Hubung singkat fasa ke fasa
c. Hubung singkat inter turn
Arus gangguan hubung singkat fasa ke tanah diminimalisasi oleh tahanan pembumian generator tersebut. Di antara ketiga jenis gangguan di atas, gangguan yang
mempunyai kemungkinan muncul terbesar adalah gangguan fasa ke tanah. Isolasi diantara dua fasa minimal dua kali lebih tebal daripada isolasi antara belitan ke inti besi,
sehingga kemungkinan terjadinya hubung singkat antar fasa sangat kecil. Gangguan inter
Universitas Sumatera Utara
turn muncul karena adanya arus surja. Namun gelombang surja ini telah dipotong di lightning arrester sebelum mencapai generator.
Generator harus diproteksi dari gangguan hubung tanah stator karena dua hal yaitu : 1.
Sebagai sebuah gangguan tentunya fenomena tersebut merupakan kondisi tidak normal dalam kinerja mesin yang menyebabkan hal – hal yang tidak diinginkan
dalam besaran tegangan, arus, osilasi, dan kerusakan. 2.
Gangguan tanah yang tidak terdeteksi dan tidak ditangani dengan baik dapat berkembang menjadi gangguan fasa ke fasa atau menjadi gangguan antar lilitan.
Gangguan fasa ke fasa terjadi jika gangguan fasa ke tanah yang lain terjadi. Dan gangguan ini akan menimbulkan arus hubung singkat yang besar dapat merusak
generator. Terdapat dua kemungkinan pada generator apabila terjadi gangguan pada stator,
yaitu : 1.
Terjadi gangguan satu fasa ke tanah pada stator 2.
Setelah hubung singkat ke tanah yang pertama terjadi, kemudian muncul hubung singkat kedua pada fasa yang sama atau berbeda dan akhirnya
menimbulkan hubung singkat antara dua titik pada belitan stator. Tegangan lebih akibat ganguan
Pada sistem yang tidak dibumikan, arus gangguan tanah sangat kecil. Arus ini hanya mengalir melalui kapasitansi sistem ke tanah sehingga tidak akan menyebabkan
kerusakan. Namun, sistem yang tidak dibumikan tidak dapat diterapkan karena kapasitansi tersebut dapat menimbulkan kerusakan akibat adanya tegangan lebih.
Universitas Sumatera Utara
Syarat utama dari suatu sistem pembumian adalah untuk membatasi tegangan lebih yang muncul pada saat gangguan agar tidak merusak peralatan. Tegangan lebih yang
terjadi dapat berupa keadaan steady state dan transient. Tegangan lebih steady state disebabkan oleh gangguan hubung singkat ke tanah. Sedangkan tegangan lebih transient
disebabkan oleh arcing ground. Besar tegangan lebih yang terjadi tergantung dari impedansi ke tanah. Jika netral generator dibumikan secara langsung, impedansi yang
rendah akan mengakibatkan arus gangguan yang sangat besar. Namun sistem ini dapat mencegah terjadinya tegangan lebih yang terlalu besar. Impedansi tambahan pada sistem
pembumian akan membatasi arus gangguan, namun juga harus mempertimbangkan tegangan lebih yang mungkin muncul sehingga tidak membahayakan peralatan.
Tegangan lebih steady state akan muncul pada fasa yang tidak terganggu saat terjadi gangguan tanah. Tegangan pada fasa yang sehat merupakan gabungan dari tegangan fasa
dan pergeseran titik netral.
Gambar 3.5 Tegangan pada saat terjadi gangguan Gambar 3.5a menunjukkan tegangan fasa ke tanah pada saat kondisi normal. Pada
sistem yang tidak dibumikan dan dibumikan melalui impedansi tinggi, pergeseran titik netral akibat gangguan hampir sama dengan tegangan fasa yang terganggu seperti
ditunjukkan pada Gambar 3.5b. Dan Gambar 3.5c menunjukkan tegangan lebih yang
Universitas Sumatera Utara
rendah dan hanya sedikit pergeseran pada titik netral. Hal ini terjadi pada sistem yang dibumikan melalui impedansi rendah.
Kerusakan inti akibat hubung singkat ke tanah Hubung singkat ke tanah pada belitan stator merupakan salah satu perhatian utama
pada proteksi generator. Gangguan tanah pada stator mengakibatkan perlunya pergantian kumparan yang rusak, dan hal ini membutuhkan biaya yang besar. Jika terjadi busur api
pada titik gangguan maka akan mengakibatkan kebakaran yang serius pada laminasi inti stator.
Rusaknya isolasi akan mengakibatkan hubung singkat antar laminasi dan arus yang terjadi akan mengakibatkan pemanasan lokal pada titik gangguan selama operasi normal.
Dan akan diikuti oleh kerusakan lainnya, sehingga akan berakhir dengan kegagalan seluruh isolasi stator. Biaya perbaikan akan semakin mahal dan membutuhkan waktu
yang semakin lama. Gangguan ini terjadi akibat kegagalan isolasi akibat penuaan dan gangguan mekanis seperti getaran.
Gangguan tanah yang terjadi terdiri dari dua jenis yaitu : 1.
Arus gangguan mengalir dari kumparan yang terganggu ke inti melalui kontak langsung atau melalui isolasi yang mengalami kerusakan.
2. Arus gangguan mengalir melalui busur gangguan.
III.3.1 Gangguan Satu Fasa ke Tanah Untuk menjelaskan besar kerusakan yang timbul pada generator saat terjadi sebuah
hubung singkat ke tanah pada stator, kita memisalkan sebuah generator yang netralnya dibumikan melalui sebuah resitor dan generator ini terhubung ke sebuah bus saluran
Universitas Sumatera Utara
melalui sebuah Pemutus Tenaga PMT. Jika hubung singkat ke tanah muncul pada terminal generator, maka akan terdapat dua jenis arus gangguan yaitu arus yang mengalir
dari luar menuju kedalam generator dan arus yang berasal dari generator itu sendiri. Arus gangguan total merupakan penjumlahan dari kedua arus ini, dan besarnya kerusakan
yang timbul di dalam generator sebanding dengan energi yang timbul pada titik busur gangguan, yaitu sebesar :
Damage = α .
Joule 3.11
dimana : T
f
: waktu selama arus gangguan muncul Kerusakan akibat arus yang mengalir dari luar generator
Gangguan pada stator dirasakan oleh sistem proteksi stator tanpa adanya tundaan waktu, atau dalam satu siklus tundaaan. Misalkan PMT pada generator
mempunyai waktu kerja selama 5 siklus. Sehingga arus muncul pada stator selama 6 siklus pada sistem 60 Hz adalah kurang lebih selama 0,1 detik. Jadi kita dapat
menentukan kerusakan yang timbul pada generator akibat arus yang berasal dari luar dengan menggunakan persamaan 3.11.
Kerusakan akibat arus yang mengalir dari dalam generator Ketika PMT pada generator membuka trip, arus gangguan yang mengalir pada
generator tidak dapat dihilangkan karena masih terdapatnya medan penguat. Dan arus penguatan eksitasi ini akan berkurang setelah
τ detik.
τ adalah konstanta waktu
hubung singkat satu fasa ketanah dan berbeda besarnya pada tiap generator, namun mempunyai nilai antara 0,8 – 1,1 s.
Universitas Sumatera Utara
Sehingga, lamanya waktu yang diperlukan untuk menghilangkan arus eksitasi di dalam generator dapat dituliskan sebagai persamaan berikut :
Damage = α . ∫ [ I. ]
k
dt Joule
3.12 Pada keadaan ini, waktu integrasinya akan jauh lebih lama, sehingga kerusakan
energi yang timbul pada generator akan jauh lebih besar. Hal ini disebabkan arus gangguan akan terus mengalir sampai medan penguat generator hilang.
Dari kedua persamaan di atas dapat dilihat bahwa sebagian besar kerusakan pada generator disebabkan oleh arus yang berasal dari dalam generator itu sendiri dan satu –
satunya cara untuk menghindari kerusakan yang serius adalah dengan mengurangi besarnya arus gangguan tanah yang timbul. Salah satu cara yang sering digunakan untuk
mengurangi arus gangguan adalah dengan melakukan pembumian pada titik netral generator.
III.3.2 Gangguan fasa ke fasa Apabila generator dengan sistem pembumian tahanan tinggi melalui resistor atau
transformator distribusi mengalami gangguan satu fasa ke tanah. Arus gangguan yang mengalir tidak cukup besar untuk merusak inti besi, karena arus gangguan yang mengalir
akan dibatasi oleh resistor pembumian. Namun, terdapat kemungkinan munculnya gangguan fasa ke fasa,hal ini terjadi jika gangguan fasa ke tanah lainnya muncul, dan ini
menimbulkan arus gangguan yang sangat besar. Gangguan fasa – fasa juga akan terjadi jika gangguan fasa ke tanah yang mula – mula muncul dekat dengan netral generator dan
diikuti oleh gangguan fasa ke tanah lainnya yang muncul pada salah satu fasa generator tersebut.
Universitas Sumatera Utara
Arus akibat gangguan ini cukup besar untuk menimbulkan kerusakan serius pada generator. Arus ini tidak dapat dihilangkan meskipun generator telah diputus dari sistem,
hal ini terjadi karena masih adanya sisa arus medan eksitasi. Generator harus dilindungi dari kemungkinan seperti ini karena akibatnya sangat berbahaya bagi generator. Cara
terbaik untuk mencegah hal ini adalah ketika hubung singkat fasa ke tanah yang pertama muncul, maka proteksi stator harus mampu mendeteksi dan mengirimkan sinyal ke PMT
agar generator segera dimatikan atau diisolir dari sistem, sebelum hubung singkat lainnya muncul.
III.4 Proteksi Gangguan Hubung Singkat ke Tanah
Ketika gangguan tanah muncul pada sebuah generator, sistem proteksi harus dapat mendeteksi gangguan tersebut dan generator harus segera dimatikan. Namun, sistem
proteksi internal ini harus dikoordinasikan dengan sistem proteksi di dekatnya. Jika gangguan tanah muncul di luar generator, sistem proteksi internal tidak boleh bekerja.
Sistem proteksi gangguan hubung tanah generator berkaitan langsung dengan sistem pembumian yang dipakai generator tersebut. Jadi metode yang digunakan juga
bermacam – macam tergantung dari jenis pembumiannya. Pada metode pembumian dengan tahanan tinggi, rele yang dipakai adalah yang mempunyai sensitivitas tinggi dan
waktu operasi yang lambat, karena arus gangguan cukup kecil sehingga tidak membahayakan bagi generator.
Pada pembumian dengan tahanan rendah, rele yang digunakan harus mempunyai waktu operasi yang cepat dan tidak perlu terlalu sensitif, karena arus gangguan sangat
besar dan membahayakan bagi generator.
Universitas Sumatera Utara
III.4.1 Metode Proteksi Tegangan Lebih Netral Metode ini biasanya dipakai pada sistem pembumian tahanan tinggi. Proteksi dapat
diperoleh dengan menghubungkan rele tegangan lebih waktu terbalik yang sensitif pada resistor atau reaktor pembumian di sekunder transformator distribusi. Rele ini merasakan
tegangan V
o
. Ketika hubung singkat ke tanah muncul, tegangan fasa – netral generator akan terasa pada primer trafo distribusi. Tegangan pada rele adalah fungsi dari turn ratio
transformator dan tegangan maksimum akan dirasakan rele jika gangguan terjadi di terminal generator.
Untuk gangguan di belitan stator, tegangan pada rele akan semakin kecil jika gangguan makin dekat ke netral. Pada pembumian tahanan tinggi, setting tegangan untuk
rele 59GN adalah 6 V untuk tegangan sekunder trafo sebesar 120 V dan 12 V untuk tegangan sekunder trafo sebesar 240 V. Misal belitan primer transformator distribusi
mempunyi rating yang sama dengan tegangan fasa – netral generator dan tegangan belitan sekundernya 120 V. Rele akan mendeteksi tegangan sebesar 120 V jika gangguan
terjadi pada terminal generator. Distribusi tegangan sepanjang belitan stator adalah linear, sehingga rele yang diset pada tegangan 6 V tidak dapat merasakan 6V120V atau
5 bagian ujung netral generator.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.6 Metode proteksi tegangan lebih netral generator III.4.2 Skema Proteksi Tegangan Lebih Delta Terbuka
Skema proteksi ini dibuat dengan menghubungkan rele 59GN pada resistor pembumian di dalam rangkaian delta terbuka. Tegangan pada rele adalah 3V
. Prinsip kerjanya hampir sama dengan menggunakan trafo distribusi. Sistem ini dapat digunakan
sebagai proteksi alternatif atau cadangan dari proteksi utama di atas.
Gambar 3.7 Skema proteksi tegangan lebih delta terbuka Rangkaian delta terbuka menyebabkan adanya penjumlahan vektor tegangan fasa
pada rele 59GN dan nilainya ekuivalen dengan 3V
0.
V
r
= V
a
+ V
b
+ V
c
= 3V 3.13
Universitas Sumatera Utara
III.4.3 Proteksi Tegangan Lebih Rangkaian Urutan Nol Proteksi stator yang paling konvensional dan umum digunakan adalah dengan
menggunakan metode tegangan lebih rangkaian urutan nol. Metode ini cocok digunakan pada generator yang mempunyai sistem pentanahan dengan tahanan tinggi. Metode ini
menggunakan rele arus lebih yang mempunyai tundaan waktu dan bekerja pada frekuensi nominal. Rele ini tidak sensitif terhadap tegangan harmonisa ketiga yang ada pada netral
generator. Metode ini mampu mendeteksi gangguan sampai 2-5 bagian stator yang paling
dekat ke netral. Sebuah rele arus lebih waktu dapat digunakan sebagai proteksi cadangan.
Gambar 3.8. Proteksi tegangan lebih rangkaian urutan nol III.4.4 Skema Proteksi Arus Lebih
Skema ini dapat diterapkan pada sistem yang dibumikan melalui tahanan tinggi. Rasio fasa CT dipilih berdasarkan arus beban penuh generator, arus ini cukup besar jika
Universitas Sumatera Utara
dibandingkan dengan arus gangguan tanah. Arus gangguan tanah pada sistem pembumian tahanan tinggi hanya berkisar antara 5-10 A. Arus yang mengalir pada
sekunder CT hanya bernilai beberapa milli ampere. Rele harus disetting agar dapat bekerja pada arus sekecil ini.
Agar didapat sensitivitas untuk arus yang kecil, digunakan tiga jenis rangkaian proteksi seperti pada Gambar 3.9 . Gambar 3.9a menunjukkan pemakaian window CT
untuk menyuplai rele. Pada aplikasi ini, keseluruhan konduktor tiga fasa dilewatkan melalui sebuah CT, sehingga fluks yang dihasilkan oleh arus pada tiap penghantar
terakumulasi pada inti CT. Arus pada sekunder CT menjadi sebesar 3I . Karena window
CT tidak melewatkan arus yang seimbang, pemilihan rasio CT tidak tergantung kepada beban. Biasanya rasio yang dipakai adalah 505.
Skema pada Gambar 3.9b dapt digunakan sebagai cadangan untuk rele 59GN. Rasio CT dipilih agar arus yang mengalir pada rele sesuai. Pada sistem yang dibumikan
melalui tahanan tinggi, arus rele dapat dipilih kira – kira sebesar arus gangguan.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.9 Metode arus lebih tanah III.4.5 Proteksi Sistem Pembumian Melalui Tahanan rendah
Pada sistem pembumian tahanan rendah, arus gangguan tanah dapat berkisar dari 100 A sampai sebesar arus hubung singkat tiga fasanya. Arus sebesar ini dapat
digunakan untuk metode proteksi arus lebih. Konfigurasi dari proteksi ini ditentukan oleh besarnya setting arus gangguan yang dipilih.
Pada range arus yang rendah, rangkaian pada Gambar 3.9 a dan b dapat dipakai. Namun untuk penggunaan window CT dibatasi oleh adanya saturasi akibat arus
gangguan yang besar. Skema 3.9 c dapat dipakai pada semua range arus. Rasio CT dipilih agar mampu menyediakan arus sekunder antara 10 – 20 A pada keadaan arus
gangguan maksimum. CT harus mampu menyediakan tegangan sekunder yang cukup untuk rele tanpa mengalami saturasi yang berlebihan.
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
PROTEKSI GANGGUAN HUBUNG TANAH PADA STATOR GENERATOR DENGAN MENGGUNAKAN METODE TEGANGAN HARMONISA KETIGA
IV.1 Prinsip Kerja