BAB III PELEPASAN BEBAN PADA GENERATOR YANG BEKERJA
PARALEL
III.1. Daya Output Generator
Generator sebagai sumber dari daya aktif maupun daya reaktif, dapat diatur keluarannya. Dalam keluaran dayanya, komponen yang mengalamai pembagian beban
adalah komponen daya aktif. Daya output aktif ini dapat diatur melalui energi masukan input dari generator. Besarnya daya aktif tiap generator dapat dihitung dengan
persamaan: θ
cos .
. .
3 I
V P
= dimana:
P = daya aktif generator Watt V = tegangan terminal Volt
I = arus generator Ampere Besarnya arus yang mengalir dari tiap-tiap generatornya adalah:
1 1
1
Z V
E I
− =
1 2
2
Z V
E I
− =
1 3
3
Z V
E I
− =
1 4
4
Z V
E I
− =
1 5
5
Z V
E I
− =
Atau dapat dirumuskan sebagai berikut:
n n
n
Z V
E I
− =
dimana: I = arus generator Ampere
V = tegangan terminal Volt E = tegangan induksi generator Volt
Pada penguatan konstan pada lima generator yang bekerja paralel berlaku, Z
I I
I I
I V
.
5 4
3 2
1
+ +
+ +
= dimana:
V = tegangan terminal Volt I
1-5
= arus generator 1-5 Ampere Z = impedansi generator Ohm
Dalam sistem kelistrikan pada PT. Manunggal Wiratama, unit generator yang terpasang pada sistem berjumlah enam buah. Akan tetapi dalam unit pembangkitannya,
generator yang bekerja hanya lima buah karena salah satu generator mengalami kerusakan. Hal ini perlu diperhitungkan untuk dapat menghitung penurunan frekuensi
sistem secara keseluruhan dan pelepasan beban sistem secara keseluruhan.
Arus yang mengalir ke beban adalah:
5 4
3 2
1
I I
I I
I I
+ +
+ +
=
Daya aktif yang dipikul setiap generator:
1 1
1 1
cos .
. .
3
θ
I V
P =
2 2
2 2
cos .
. .
3
θ
I V
P =
3 3
3 3
cos .
. .
3 θ
I V
P =
4 4
4 4
cos .
. .
3
θ
I V
P =
5 5
5 5
cos .
. .
3 θ
I V
P =
Sehingga dapat dirumuskan:
n n
n
I V
P θ
cos .
. .
3 =
Besarnya daya aktif yang dibangkitkan generator ditentukan oleh energi input dari penggerak mula yang diterima oleh generator. Oleh karena itu, pembagian daya generator
dilakukan melalui pengaturan energi input dari generator yaitu dengan mengatur kopel daya masuk pada penggerak mula prime mover. Dengan demikian, untuk generator-
generator yang bekerja secara paralel berlaku ketentuan-ketentuan sebagai berikut: 1.
Beban yang dipikul oleh masing-masing generator tergantung dari besarnya kopel daya masukan pada penggerak mula generator itu sendiri.
2. Perubahan penguatan eksitasi berguna untuk merubah daya reaktif generator.
Daya aktif itu sendiri memiliki kaitan yang erat dengan nilai frekuensi dalam sistem, sedangkan beban sistem yang berupa daya aktif dan reaktif selalu berubah
sepanjang waktu. Sehubungan dengan hal ini, maka untuk mempertahankan frekuensi dalam sistem harus disesuaikan dalam batas toleransi yang diperbolehkan. Penyediaan
atau pembangkitan daya aktif dalam sistem harus disesuaikan dengan kebutuhan pelanggan atas daya aktif dan juga harus selalu disesuaikan dengan beban daya aktif.
Penyesuaian daya aktif ini dilakukan dengan mengatur besarnya kopel penggerak generator.
Dalam sistem tenaga listrik yang pada umumnya menggunakan generator sinkron tiga fasa untuk pembangkit tenaga listrik yang utama, maka pengaturan frekuensi sistem
praktis tergantung kepada karakteristik generator sinkron. Menurut hukum Newton, diperoleh hubungan antara kopel mekanis penggerak
generator dengan perputaran generator, yaitu:
dt d
H T
T
B G
ω
× =
−
dimana: T
G
= kopel penggerak generator Hz
MW
T
B
= kopel beban yang membebani generator Hz
MW H = momen inersia dari generator beserta mesin penggeraknya sekon
ω = kecepatan sudut perputaran generator rpm Sedangkan frekuensi yang dihasilkan generator adalah:
Hz f
π ω
2 =
Hal ini berarti pengaturan frekuensi dalam sistem berarti pula pengaturan kopel penggerak generator atau juga berarti pengaturan daya aktif dari generator. Ditinjau dari
sisi mesin penggerak generator ini berarti bahwa pengaturan frekuensi sistem adalah pengaturan pemberian bahan bakar pada unit termis.
Ditinjau dari segi beban sistem, frekuensi akan turun apabila daya aktif yang dibangkitkan tidak mencukupi kebutuhan beban dan sebaliknya frekuensi akan naik
apabila ada surplus daya aktif dalam sistem. Secara mekanis dengan melihat persamaan-persamaan di atas, ini berarti bahwa:
T
G
– T
B
= ∆T 0, frekuensi turun
T
G
– T
B
= ∆T 0, frekuensi naik
Secara tidak langsung penyediaan daya reaktif dapat pula mempengaruhi frekuensi sistem, karena penyediaan daya reaktif mempunyai pengaruh besar terhadap
kenaikan tegangan yang selanjutnya dapat menyebabkan kenaikan beban daya aktif.
III.2. Pengaruh Perubahan Eksitasi
Perubahan eksitasi akan mempengaruhi sistem operasi generator-generator yang bekerja paralel dengan kapasitas generator yang sama, yang mana masing-masing
generator tersebut akan memikul daya aktif yang sama tetapi daya reaktifnya berbeda. Dimisalkan mula-mula generator dalam keadaan seimbang, P
1
= P
2
= P
3
= P
4
= P
5
, Q
1
= Q
2
= Q
3
= Q
4
= Q
5
dan S
1
= S
2
= S
3
= S
4
= S
5
. Eksitasi generator satu dinaikkan sehinga eksitasi generator satu akan lebih besar dari eksitasi generator dua,
maka tegangan generator satu akan lebih besar dari tegangan generator dua. Akibatnya mengalir arus sinkronisasi dari generator satu ke generator dua sampai generator lima
sebesar:
s s
Z E
E E
E E
I
5 4
3 2
1
− −
− −
=
dimana:
5 4
3 2
1
Z Z
Z Z
Z Z
s
+ +
+ +
=
dimana: E
1
= tegangan induksi generator 1 E
2
= tegangan induksi generator 2 E
3
= tegangan induksi generator 3 E
4
= tegangan induksi generator 4 E
5
= tegangan induksi generator 5 Z
1
= impedansi generator 1 Z
2
= impedansi generator 2 Z
3
= impedansi generator 3 Z
4
= impedansi generator 4 Z
5
= impedansi generator 5
III.3. Gangguan Pada Generator yang Bekerja Paralel
Apabila beban yang harus dipikul generator melebihi kapasitas daya yang dibangkitkannya, generator yang baru harus dioperasikan juga untuk membantu generator
yang memikul beban tersebut dengan memparalelkannya. Setelah generator itu bekerja paralel akan terdapat beberapa kemungkinan kendala-kendala yang akan timbul yang
dapat mengganggu kerja paralel generator tersebut atau dengan kata lain akan timbul gangguan pada generator yang bekerja paralel tersebut.
Gangguan-gangguan pada generator secara garis besar terdiri dari: 1.
Gangguan di luar generator. Umumnya generator dihubungkan dengan rel terlebih dahulu sebelum
dihubungkan dengan saluran transmisi atau saluran distribusi. Dalam hal ini unit
generator yang tidak beroperasi tidak diperhitungkan karena tidak dapat memberikan dampak gangguan kepada sistem.
Penyebab utama dari jenis gangguan ini adalah gangguan yang diakibatkan oleh sambaran petir. Bagian yang sering menerima sambaran petir adalah bagian
saluran udara transmisi sistem. Dengan kata lain, sumber lokasi dari gangguan diluar generator adalah saluran udara transmisinya. Demikian juga dengan saluran
udara distribusi sistem karena selain rentan akan sambaran petir, saluran udara distribusi dapat juga terganggu oleh adanya tanaman-tanaman sekitar.
2. Gangguan yang terjadi di dalam generator.
Adapun gangguan-gangguan yang mungkin terjadi di dalam generator antara lain: a.
Gangguan hubung singkat antar fasa. Gangguan ini merupakan jenis gangguan yang terjadi sebagai akibat adannya
hubung singkat sehingga pada kumparan stator akan dibangkitkan arus yang besar sehingga dalam waktu detik akan tercapai panas yang berlebihan yang akan
menimbulkan hubung singkat di isolasi kumparan stator dan berakibat kerusakan pada generator.
b. Gangguan panas suhu tinggi.
Gangguan panas suhu tinggi biasa terjadi pada bagian stator atau pada bantalan generator. Suhu stator yang terlalu tinggi dapat diakibatkan oleh pembebanan
lebih pada generator yang terlalu lama, ventilasi yang kurang sempurna atau karena banyaknya debukotoran yang menempel pada isolasi lilitan stator
sehingga menghambat pelepasan panas lilitan stator, atau ada hubung singkat kecil yang tidak terdeteksi oleh rele-rele yang ada.
c. Gangguan penguatan hilang.
Ketika terjadi gangguan pada rangkaian arus penguat, medan penguat generator akan melemah atau dapat dikatakan hilang yang dapat menyebabkan generator
berada pada kondisi out of step atau lepasanya generator dari sistem sinkronisasi yang berakibat gangguan pada sistem terutama pada generator yang besar.
d. Gangguan hubung singkat pada rangkaian rotor.
Apabila rangkaian rotor mengalami gangguan, generator akan mengalami loss of field atau kehilangan medan dan juga rangkaian rotor dan rotor generator dapat
mengalami kerusakan disebabkan adanya arus hubung singkat pada rangkaian generator. Jika hanya salah satu kutub kutub + atau kutub - terhubung ke tanah,
hal ini dapat menimbulkan distorsi dalam medan magnet penguat yang akan menimbulkan getaran yang berlebihan.
e. Gangguan pada mesin penggerak prime mover yang memerlukan pelepasan
pemutus tegangan PMT generator. Jika salah satu generator yang bekerja paralel mengalami salah satu dari enam
jenis gangguan di atas, generator lainnya akan merasakan gangguan itu juga. Gangguan yang biasanya menyebabkan generator tidak dapat lagi memberikan
daya yang diinginkan ke beban adalah gangguan pada belitan statornya gangguan internal. Gangguan ini berupa gangguan hubung singkat fasa ke fasa ataupun fasa ke
netral yang disebabkan oleh kerusakan isolasi belitan stator yang disebabkan panas yang berlebih yang mengakibatkan rele diffrensial dan CB circuit breaker generator akan
membuka. Untuk mengatasi hal ini, perlu diadakan suatu upaya yaitu melakukan pelepasan sebagian beban load shedding.
III.4. Pelepasan Beban Pada Generator
Apabila suatu generator yang bekerja paralel melayani beban mengalami gangguan seperti yang telah diutarakan di sub bab terdahulu, salah satu generator dari
sistem paralalelnya harus segera dimatikan. Hal ini akan menyebabkan daya listrik total yang dibangitkan oleh generator yang bekerja paralel akan berkurang.
Untuk mengimbangi berkurangnya daya listrik yang dibangkitkan oleh generator yang bekerja paralel tersebut sebagian beban harus dilepaskan supaya generator-
generator yang masih bekerja tidak memikul beban yang berlebih dan frekuensi dari sistem tidak turun jauh dari batas yang telah diijinkan. Pelepasan beban ini harus
dilakukan secara cepat dan tepat agar sistem tidak sampai padam. Dalam penentuan pelepasan sebagian beban ini harus ditentukan terlebih dahulu
lokasi dari beban-beban yang akan dilepaskan. Beban-beban yang akan dilepaskan dipilih berdasarkan kepentingan dari beban itu sendiri dan juga kepekaanya pada frekuensi
sistem sehinggan beban yang dirasa penting akan tetap terlayani walaupun terjadi penurunan daya listrik yang disediakan oleh pembangkit.
Perencanaan pelepasan beban haruslah diusahakan secara otomatis agar dapat dilakukan secara cepat dengan menggunakan bantuan alat-alat yang bekerja dengan cepat
serta mampu melindungi sistem dengan tepat apabila terjadi gangguan pada salah satu generator yang bekerja paralel.
Beban-beban yang harus dilepaskan juga dilakukan secara bertahap sesuai dengan perhitungan. Tahap pelepasan beban tersebut bergantung pada besarnya daya dan waktu
pelepasannya.
Kriteria yang diinginkan pada proses pelepasan beban dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Pelepasan sebagian beban dilakukan agar frekuensi sistem tidak melewati batas
minimum yang telah ditentukan dari sistem. 2.
Pelepasan beban harus dilakukan dengan cepat sehingga kondisi beban lebih pada sistem tidak mempengaruhi generator lain yang masih bekerja dengan baik lebih
lama lagi. 3.
Karena fungsi pelepasan sebagian beban adalah untuk menstabilkan frekuensi sistem, pelepasan beban hanya dapat dilakukan pada saat sisi pembangkit tidak
sanggup lagi memikul beban yang dilayaninya yang disebabkan oleh naiknya beban secara tiba-tiba atau terganggunya salah satu generator yang bekerja
paralel. Perumusan untuk pelepasan sebagian beban ditentukan oleh 4 parameter umum,
yaitu: 1.
Besarnya daya yang hilang pada pembangkit. 2.
Konstanta inersia sistem. 3.
Karakteristik frekuensi daya beban. 4.
Respon governor dari penggerak mula prime mover. Ketika beban naik dalam sistem, governor akan merasakan perubahan kecepatan
yang akan menaikkan daya masukan ke generator. Beban lebih akan diatasi dengan menaikkan kapasitas dari operasi generator yang belum dipakai dalam sistem spinning
reverse. Pada saat semua generator bekerja dengan kapasitas maksimumnya spinning
reverse nominal 0, pada saat inilah diperlukan pengurangan beban, sama atau lebih besar dari beban lebih secara cepat.
Dalam hal ini frekuensi merupakan indikator yang dapat diandalkan dalam situasi beban lebih overload. Oleh karena itu, rele frekuensi yang sensitif dapat digunakan
untuk memutuskan sejumlah beban dalam pelepasan beban otomatis. Pemutusan beban ini dibantu oleh UFR Under Frequncy Relay.
Rele frekuensi turun Under Frequency Relay biasanya digunakan pada sub stasiun distribusi dimana beban yang dipilih untuk dilepas dapat diputuskan secara tepat
yang akan mengembalikan kestabilan sistem. Dalam menginstal rele ini, biasanya dipakai lebih dari satu rele tergantung dari level pelepasan beban yang dirancang untuk sistem.
Untuk pelepasan beban dengan 2 level, rele level 1 diatur settingannya sedikit dibawah dari range operasional frekuensi misalnya 49,4 – 49,7 Hz. Ketika frekuensi turun di
bawah level ini, rele ini akan melepaskan beban. Jika frekuensi telah naik mencapai tingkat kestabilan sistemnya, hal ini berarti pelepasan beban telah berhasil dilakukan.
Namun apabila frekuensi masih tetap juga turun dengan rata-rata yang lebih sedikit dari penurunan pertamanya mencapai rating rele level 2, sejumlah beban berikutnya akan
dilepas. Hal ini akan terus berlanjut bergantung dari jumlah rele yang digunakan dan lamanya tercapai kestabilan sistem.
Adapun prosedur dalam merancang pelepasan beban pada sistem adalah sebagai berikut:
1. Beban Lebih Maksimum Maximum Overload.
Rele-rele frekuensi turun yang digunakan dalam sistem harus dapat melepas keseluruhan beban dalam kondisi beban lebih overload. Hal ini dikarenakan
tidak adanya batasan pasti besarnya beban yang harus dilepas karena pelepasan beban yang dirancang harus dapat melepas 100 dari beban jika diperlukan untuk
melindungi sistem. 2.
Level Pelepasan Beban. Ketika rele merasakan penurunan frekuensi dalam sistem, biasanya level pertama
dari pelepasan beban akan melepaskan sejumlah beban yang telah ditentukan terlebih dahulu. Apabila frekuensi dari sistem tersebut belum mencapai nilai yang
diinginkan, rele berikutnya melaksanakan proses pelepasan berikutnya level kedua. Penentuan level dari pelepasan beban tergantung kebutuhan dari sistem.
Jumlah level dari pelepasan beban ini berada antara 2 – 5 level. Umumnya digunakan pelepasan beban dengan 3 level.
3. Besar beban yang dilepas setiap level.
Besar dari beban yang harus dilepaskan setiap level bergantung kepada konfigurasi dari sistem dan persentase pelepasan beban setiap levelnya. Sebagai
contoh, dalam sistem pelepasan beban 3 level dapat dirancang persentase pelepasan beban tiap levelnya sebagai berikut:
Level 1: Melepas 12 dari total beban Level 2: Melepas penambahan 8 dari sisa beban 20 dari total
Level 3: Melepas penambahan 12 dari sisa beban 32 dari total 4.
Pengaturan frekuensi. Pengaturan frekuensi untuk setiap level pelepasan beban bergantung pada besar
frekuensi nominal sistem, akurasi dari rele-rele dan jumlah level pelepasan beban. 5.
Lokasi rele frekuensi.
Dalam sistem yang besar, rele-rele pelepasan beban harus disebar ke seluruh sistem. Pelepasan beban yang dirancang hanya dalam satu area dapat
menyebabkan aliran daya yang besar pada jalur transmisi dari area dilakukannya pelepasan beban menuju area yang masih memikul beban. Karena gangguan yang
menyebabkan sistem harus melepas beban, jalur ini mungkin telah beroperasi dalam level yang sangat berbahaya sehingga pelepasan beban yang tidak
seimbang pada sistem ini sebagai akibat dari pelepasan beban pada satu area saja dapat mengakibatkan panas beban lebih dan ketidakstabilan sistem. Kehilangan
pembangkitan pada area tertentu pada sistem akan menyebabkan frekuensi turun lebih cepat pada daerah yang mengalami beban lebih. Perbedaan frekuensi ini
akan menghasilkan peningkatan sudut torsi dengan cepat pada jalur transmisi yang dapat mengacaukan sistem. Untuk mengatasinya, rele-rele frekuensi pada
daerah yang mengalami penurunan frekuensi yang lebih cepat akan trip terlebih dahulu yang akan mengatasi ketidakseimbangan beban dan membantu sistem
menaikkan frekuensi mencapai nominalnya sehingga mencegah sistem kehilangan sinkronisasi.
BAB IV PENENTUAN PELEPASAN BEBAN TIBA-TIBA PADA