Excitation Protection – Part VI

Setelah pembahasan yang panjang mengenai under-excitation, maka kita beralih pada kondisi di sisi yang berkebalikan, yaitu over-excitation.

Dalam capability curve, kondisi over-excitation secara fisik berada di sisi yang berseberangan pula. Limitasi yang umum dipakai sudah dijelaskan dalam postingan terdahulu (link).

Apabila suatu generator bekerja sinkron dengan sistem grid, kemudian kita menaikkan arus eksitasi, maka yang terjadi adalah kenaikan jumlah daya reaktif (MVAR) yang dikirimkan ke jaringan. Secara fisik, ada tambahan arus yang diinjeksikan ke rotor sebuah generator. Dikarenakan arus eksitasi berbanding lurus dengan panas yang didisipasikan, maka untuk generator yang menggunakan hydrogen-cooled atau indirect air cooled, maka diperlukan adanya tambahan aliran sistem pendingin semisal cooling water. 

Adanya keterbatasan suplai cooling water pada umumnya digunakan sebagai variabel control untuk membatasi nillai daya reaktif yang bisa dibangkitkan. Atau dalam kondisi ekstrim, temperatur gas di dalam generator dapat digunakan sebagai input proteksi. Namun, perlu digaris bawahi bahwa pendekatan ini menggunakan temperatur sebagai variabel proteksi.

Kondisi over-excitation dalam ranah proteksi lebih dikenal dengan istilah U/f (volt per hertz) protection. Hal ini dikarenakan fluks magnet (B) berbanding lurus dengan tegangan terminal (V) dan berbanding terbalik dengan frekuensi (f). Fluks yang tinggi akan menyebabkan rugi inti besi (iron core) yang tinggi. Akibatnya iron core dapat terbakar sehingga memerlukan penggantian.

Gambar 7. Karakteristik Proteksi U/f 

Untuk deteksinya, sesuai deskripsi di atas, relay proteksi membutuhkan pembacaan tegangan dan frekuensi. Karateristik proteksi U/f dapat dibagi menjadi 2, yaitu karakteristik termal yang biasanya merujuk pada data manufaktur dan karakteristik definit time (high stage) sebagaimana ditunjukkan gambar 7. Sedangkan logic diagram ditunjukkan di gambar 8, menggunakan relay tipe 7UM6.

Gambar 8. Logic Diagram Proteksi U/f

 

Part 5 | End

 

Paiton, 13 Oct 2021 20:15

 

Excitation Protection – Part V

Untuk menentukan besaran Characteristic 1, 2 dan 3 akan digunakan contoh perhitungan sebagai berikut. Sebuah generator sinkron memiliki spesifikasi:

S_n (nominal apparent power)      : 5270 kVA

U_n (nominal voltage)                  : 6300V

I_n (nominal current)                    : 483A

f_n (nominal frequency)                : 50Hz

x_d (direct-axis reactance)            : 2,470

U_VT (VT primary voltage)            : 6300V

I_CT (CT primary current)              : 500A

Selanjutnya, harus dikalkulasi direct-axis reactance di sisi sekunder dengan menggunakan persamaan sebagai berikut

Char = 1/xd_sec = (I_n * U_VT) / (x_d * U_n * I_CT)

maka akan didapatkan nilai char atau 1/xd_sec (selanjutnya ditulis sebagai 1/xd) sebesar 0.39.

Dengan menggunakan safety factor sebesar 1,05, maka akan didapatkan nilai 1/x_d untuk Char 1 sebesar 0.41. Untuk sudut inklinasi char 1 (α1) disetting antara 60° hingga 80°.

 

Char 2 pada umumnya disetting sebesar 0.9 dari Char 1 dengan menggunakan sudut inklinasi sebesar 90°. Dengan demikian, Char 1 dan Char 2 membentuk suatu batasan yang komprehensif sebagaimana ditunjukkan gambar 6. Akibatnya, trip time untuk Char 1 dan Char 2 dibuat identik.

Gambar 6. Diagram Admitansi Char 1 dan Char 2

Char 3 diaplikasikan untuk melindungi generator sinkron pada kondisi jaringan yang tidak stabil. Jika manufaktur generator tidak memberikan arahan yang jelas mengenai hal ini, pada umumnya Char 3 disetting antara direct-axis reactance xd dan reaktansi transien x’; dimana nilainya harus lebih besar dari 1.

Sudut inklinasi Char 3 biasanya menggunakan nilai antara 80° hingga 110°, untuk meyakinkan bahwa batasan ini hanya untuk memproteksi generator dari kondisi jaringan yang tidak stabil.

Part 4 | Part 6

 

Paiton, 29 Sep 2021 18:10

 

Excitation Protection – Part IV

Untuk menentukan kriteria bahwa sebuah generator sinkron masuk dalam kondisi under-excitated, maka relay proteksi akan menggunakan metode pengukuran sebagai berikut:

1.   Tegangan dan arus output generator

Bergantung pada metode kalkulasi sebuah relay proteksi, maka besaran turunan seperti daya reaktif, resistansi/konduktansi atau reaktansi/suseptansi.

2.   Tegangan eksitasi (rotor voltage)

Tegangan DC yang diukur melalui analogue input, akan digunakan untuk menentukan kriteria loss of field. Tentu saja dikarenaka tegangan yang cukup tinggi, maka penggunaan pembagi tegangan (voltage divider) seringkali diperlukan. Seringkali pengukuran tegangan eksitasi mengalami interferensi, terutama dari sinyal noise yang dihasilkan oleh tiristor penyearah. Dengan demikian, penggunaan filter sinyal analog wajib untuk digunakan.

Di sisi lain, apabila resource untuk pengukuran tegangan eksitasi secara langsung tidak dapat dilakukan oleh relay, maka konversi menjadi sinyal digital oleh instrumen luar juga memungkinkan untuk digunakan. 

Pada bahasan selanjutnya, referensi relay proteksi yang digunakan adalah Siprotec Seri 7UM6. Sehingga, kriteria dan setting akan mengacu pada referensi tersebut.

Untuk kriteria under-excitation pada relay 7UM6, besaran arus dan tegangan terminal generator digunakan untuk mengkalkulasi admintansi (admitansi = 1/impedansi). Dalam prosesnya, hanya nilai urutan positif yang digunakan agar hasil pengukuran bebas dari pengaruh luar semisal ketidakseimbangan tegangan atau arus. Diagram admitansi (yang sebenarnya identik dengan kurva kapabilitas) ditunjukkan dalam gambar 4.

Gambar 4. Diagram Admitansi

Relay Siprotec 7UM6 menggunakan 3 karakteristik under-excitation, yaitu karakteristik 1, 2 dan 3 dengan delay yang bisa divariasikan. Ketiganya ditunjukkan oleh gambar 5. Apabila dipadukan dengan pengukuran tegangan eksitasi, maka kriteria baru dapat dibuat yang berfungsi sebagai pengenal loss of excitation yang lebih cepat dan presisi.

Gambar 5. Karakteristik Under-excitation

 Agar lebih mudah, akan ditunjukkan contoh perhitungan pada pembahasan selanjutnya.

 

Part 3 | Next

 

Paiton, 21 Sep 2021 20:45

Excitation Protection – Part III

Dalam sebuah generator sinkron, medan magnet yang dihasilkan oleh belitan rotor akan menginduksi belitan stator. Jika ditinjau dalam sistem konversi energi elektromekanis, medan magnet yang dihasilkan rotor dapat dipandang sebagai:

1. Media konversi energi.

Medan magnet adalah media konversi energi dari energi mekanis di sisi rotor (dalam bahasan daya, dapat disebut daya poros atau shaft power) yang berasal dari turbin/penggerak mula menjadi energi listrik yang berada di sisi stator. Energi listrik yang berada di stator akan dialirkan ke beban melalui step up transformer, sistem transmisi dan distribusi.

Dalam kondisi ini, segala sesuatu yang terjadi pada sistem penggerak mula (dapat diartikan turbin, atau sistem pendukungnya seperti boiler) akan direpresentasikan oleh kelakuan rotor. Dan karena rotor adalah struktur yang berputar, maka variabel yang umum dipantau adalah kecepatan rotor (speed).

Sedangkan segala sesuatu yang terjadi pada beban (begitu pula dengan saluran transmisi dan distribusi) akan direpresentasikan oleh kelakuan stator. Dikarenakan stator adalah struktur statis, maka variabel yang dipantau adalah arus dan atau tegangan stator serta variabel turunannya (daya aktif, daya reaktif).

Secara sederhana, medan magnet yang dihasilkan rotor ditunjukkan dalam gambar 2.

 

Gambar 2. Representasi Medan Magnet

2. Kopling imajiner antara stator dan rotor

Merujuk pada penjelasan nomor 1 di atas, dikarenakan medan magnet melingkupi stator dan rotor sebuah mesin sinkron, kondisi dinamis yang terjadi di rotor (turbin, boiler dan pendukungnya) akan mempengaruhi variabel performansi di sisi stator. Demikian pula sebaliknya. Dengan demikian, dalam kondisi dinamis, medan magnet dapat dipandang sebagai kopling imajiner (maya) antara rotor dan stator. Semakin besar medan magnet (arus eksitasi), maka semakin kuat pula kopling imajiner tersebut.

Sebagai analogi, kita akan menggunakan gambar 3 yang merepresentasikan V-belt yang terpasang pada kedua pulley. Semakin besar medan magnet sebuah generator sinkron, maka seolah-olah kita menggunakan V-belt yang lebih kaku. Demikian pula sebaliknya.

Gambar 3. Sistem V-Belt

Catatan:  

Medan magnet dan V-belt adalah sebuah analogi saja, jadi tidak sepenuhnya bisa mewakili kondisi yang ada. Jika dalam sistem V-belt, kedua pulley memang berputar. Namun pada generator sinkron, tentu saja secara fisik yang berputar adalah rotor.

Lebih jauh ditinjau dari sisi sirkuit magnet, maka pada generator sinkron, bagian yang berputar adalah:

-       Rotor dan medan rotor

-       Medan stator (berlokasi di stator)

Apabila medan magnet (ekuivalen dengan arus eksitasi) terlalu rendah, dalam sistem V-belt direpresentasikan dengan kondisi V-belt yang kendor (melar). Tentu saja V-belt yang kendor akan memiliki potensi terjadinya slip, yaitu pulley penggerak tidak bisa berputar bersamaan dengan pulley beban.

Kondisi tersebut beranalogi dengan kondisi generator sinkron apabila arus eksitasinya terlalu rendah (under-excitation). Kopling imajiner antara stator dan rotor menjadi sangat lemah, dan hal tersebut membuat operasi generator sinkron menjadi sangat tidak stabil. Akan lebih parah jika generator sinkron kehilangan sistem eksitasi (loss of excitation), yang dalam sistem V-belt dianalogikan dengan putusnya V-belt. Kedua pulley akan bergerak acak.

Demikian pengantar untuk kondisi under-excitation protection. Pada bagian selanjutnya akan dibahas logic diagram dan settingnya.

Part 2 | Next

 Paiton, 15 Sep 2021 20:30

Excitation Protection – Part II

Capability curve menyatakan area operasi normal bagi sebuah mesin sinkron, dalam bahasan kita, maka mengacu pada generator sinkron. Secara umum, capability curve disajikan dalam gambar 1 untuk model vertikal. Varian lain, yaitu model horizontal, seringkali juga digunakan.

Gambar 1. Capability Curve

 

Sumberdaya pendukung generator diharapkan dapat bekerja secara optimum agar area operasi generator tetap berada di dalam kurva tersebut. Sebagai antisipasi kondisi dinamis dari operasi generator, maka diperlukan aksi kontrol sebelum aksi proteksi bekerja. Dengan demikian, operasi generator akan berlangsung lebih smooth.

 

Dalam lingkup eksitasi, operasi generator yang aman akan dikontrol oleh AVR (automatic voltage controller). AVR akan secara kontinyu memonitor titik operasi generator sinkron untuk disajikan dalam capability curve. AVR memiliki batasan-batasan untuk menjaga operasi aman tersebut, yaitu dengan menerapkan beberapa limitasi limitasi.

 

Jika sistem eksitasi terlalu berlebih, maka over-excitation limiter akan bekerja. Demikian pula apabila sistem eksitasi terlalu rendah, under-excitation limiter yang akan bereaksi. Jika limiter tersebut gagal bekerja, maka generator akan bekerja di area yang tidak aman. Pada kondisi tersebut, sistem proteksi eksitasi akan mulai bereaksi. Baik itu pada area ever-excitation, maupun area under-excitation, terutama apabila generator sinkron kehilangan sistem eksitasi (loss of field).

 

Umumnya, excitation protection membahas proteksi untuk kondisi under-excitation (dalam beberapa sumber menyebut dengan loss of field protection). Namun, pada pembahasan kita selanjutnya akan kita bahas proteksi eksitasi yang mencakup area over-excitation dan under-excitation.

 

Sejalan dengan pembahasan ini, juga berhubungan dengan fluks magnet, maka over-flux protection juga menjadi menu yang akan dibahas. Beberapa sumber menyebut proteksi ini sebagai V/Hz (volt per hertz) protection.

Part 1 | Next

 

Paiton, 8 Sep 2021 19:40

Excitation Protection – Part I

 Foreword

Dengan mengacu pada definisi dari generator, maka peranan medan magnet menjadi cukup krusial karena digunakan sebagai media konversi energi mekanik (putaran poros) menjadi energi elektrik. Sebagaimana kita tahu, medan magnet ini dihasilkan oleh sistem eksitasi. Maka peranan excitation protection adalah meyakinkan bahwa kinerja dasar dari sebuah generator tetap di kondisi yang aman.

Selain generator, excitation protection akan sangat berkaitan erat dengan AVR (automatic voltage regulator), exciter dan pendukungnya misal kurva kapabilitas. Dengan demikian, sebelum masuk ke dalam pembahasan utama, diharapkan pembaca dapat me-refresh bahasan sistem eksitasi yang pernah dideskripsikan dalam link yang terdiri dari 9 bagian. 

Terdapat filosofi dasar bahwa sistem proteksi tidak dapat didesain dengan baik jika kita tidak mengerti peralatan yang akan diproteksi dengan baik pula. Namun, dapat dimaklumi bahwa membaca 9 bagian sebelum masuk ke pembahasan proteksi pastinya akan sangat membosankan. Hal tersebut bisa dipahami.

Dari 9 bagian yang sudah dibagikan, tidak diharustentunya tidak semua harus dibaca. Minimum, ada bagian kunci yang perlu dipahami. Untuk deskripsi dasar sistem eksitasi, bisa dilihat di bagian 1 dan 4. Untuk pembahasan AVR, dapat mengacu ke bagian 5 dan 7.

Diharapkan juga bahwa pembaca bisa me-refresh satu topik lagi yaitu berkaitan dengan Capability Curve yang juga pernah dideskripsikan dalam link, sebanyak 2 bagian.

Bahasan excitation protection sebetulnya bukan topik yang berat, namun diharapkan dengan me-refresh bagian-bagian di atas, pembaca dapat lebih tune in ke dalam menu bahasan proteksi ini.

 

Start | Next

 

Paiton, 1 Sep 2021 20:10

Reverse Power Protection – Part IV (end)

Pada bagian ini, sebetulnya sudah tidak ada yang perlu dipaparkan lebih mendalam. Sebagaimana dijelaskan dalam paparan sebelumnya, reverse power protection adalah metode deteksi anti-motoring yang cukup powerful. Namun, tentu saja metode ini memiliki kerentanan.

Satu hal yang menjadi lazim adalah adanya error pada proses pengikuran daya. Hal ini terjadi karena dalam kondisi reverse power, relay proteksi dipaksa mengukur besaran yang nilainya cukup kecil dibandingkan dengan nilai nominal. Misalkan untuk kasus reverse power protection pada steam turbine (yang disetting -0.5%), tentunya hal ini menjadi tantangan tersendiri.

Pada dasarnya, nilai reverse power seharusnya bernilai konstan. Besaran tersebut seharusnya tidak dipengaruhi oleh besarnya daya reaktif (Q) atau dengan kata lain besarnya sistem eksitasi. Namun, ada kemungkinan relay proteksi akan melakukan pembacaan besaran reverse power dengan nilai yang berbeda diakibatkan oleh adanya sudut error antara current transformer (CT) dan potential transformer (PT).

Umumnya, error yang diakibatkan oleh trafo instrument sudah dikompensasi oleh manufacturer. Namun, jika reverse power protection diinginkan untuk bekerja dengan lebih sensitif, maka sudut error ini harus diverifikasi. Machine protection relay seperti Siprotec 7UM6 Series memberikan solusi untuk kondisi diatas melalui CT Angle Correction. Dimana nilai ini didapat dari pengukuran primer.

Untuk melakukan pengujian ini, harus dikonsultasikan dengan manufakturer turbin dikarenakan reverse power protection harus di-disable sehingga memungkinkan turbin mengalami overheating. Selain itu, konsultasi dengan manufakturer generator juga dianggap perlu dikarenakan verifikasi ini memungkinkan kondisi under-excitation yang besar kemungkinan akan mengarah ke kondisi out-of-step.

Secara singkat, proses verifikasi ini memerlukan 4 langkah dan mengacu pada gambar 2. Pada sumbu cartesian tersebut, sumbu x mewakili daya reaktif (Q) dan sumbu y mewakili daya aktif (P).

1. Sistem eksitasi harus diatur hingga mencapai Q = 0. Pada kondisi ini, nilai bacaan P dan Q dituliskan dalam tabel sebagai representasi P₀ dan Q₀.
2. Sistem eksitasi dinaikkan sekitar 30% hingga mencapai kondisi over-excitation. Pada langkah ini akan didapatkan nilai P₁ dengan nilai negatif dan Q₁ dengan nilai positif.
3. Sistem eksitasi diturunkan sekitar 30% hingga mencapai kondisi under-excitation. Pada langkah ini akan didapatkan nilai P₂ dengan nilai negatif dan Q₂ dengan nilai negatif.
4. Mengubah eksitasi generator ke kondisi tanpa beban. Tahap selanjutnya generator bisa di-shutdown atau diubah ke mode operasi yang diinginkan.

Gambar 2. Penentuan Error Angle Correction

 

Nilai error angle correction didapat dari persamaan berikut:

  

Part 3 | End

 

Reff:

Multifunction Machine Protection 7UM62 V4.6 Manual. Siemens. 

Power System Protection. IEEE Press.

IEEE Std 242-2001 - IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems

Paiton, 19 Aug 2021 20:30

Reverse Power Protection – Part III

Pada bagian ini akan dideskripsikan kinerja relay proteksi untuk fungsi reverse power protection.

 Determinasi Reverse Power

Prinsip dasar relay proteksi dalam mengenali kondisi reverse power adalah dengan mengkalkulasi aliran daya aktif dari sebuah generator. Untuk menghasilkan nilai kalkulasi yang valid, relay proteksi akan menggunakan beberapa metode evaluasi. Metode yang paling umum adalah besaran daya aktif dikalkulasi dari tegangan dan arus urutan positif (salah satu komponen simetri).

Perlu disadari bahwa kalkulasi daya aktif untuk kondisi reverse power butuh kecermatan lebih dikarenakan magnitudonya yang relatif kecil dibanding rating generator. Beberapa relay proteksi memanfaatkan nilai error angle dari trafo instrument (current transformer dan potential transformer) untuk mengatasi masalah tersebut.

 Logic Diagram Reverse Power Protection

Pada gambar 1, ditunjukkan logic diagram reverse power protection yang diaplikasikan pada relay proteksi Siemens Siprotec 7UM6.

 

Gambar 1. Logic Diagram Reverse Power Protection

Pick-up Seal-in Time

Untuk mengindari adanya unintentional trip yang diakibatkan oleh short pick-up, maka relay proteksi menyediakan alamat 3105 T-HOLD sebagai solusi. Jika kondisi reverse power hanya berupa pulsa, maka unintentional trip dapat dihindari.

 

Sinyal Trip

Agar dapat bekerja dengan lebih fleksibel, maka reverse power protection menggunakan modul proteksi 2 tingkat, yaitu short stage dan long stage. Kedua stage memanfaatkan sinyal biner tambahan yang berasal dari Stop Valve (dalam turbin uap, stop valve bekerja untuk memotong steam flow path yang mengarah ke turbin).

 

Modul long stage akan sangat berguna untuk beberapa kondisi, diantaranya:

-       power pick-up saat proses sinkronisasi

-       power swing pada saat gangguan jaringan

-       proses shutdown agar lebih halus

Jika ada gangguan pada sistem boiler atau turbin, maka stop valve akan ditutup. Secara tidak langsung, kondisi ini akan mengaktifkan modul short stage. Jadi, time delay T-SV-CLOSED akan sangat efektif dalam kondisi trip unit.

Untuk tujuan tertentu, fungsi proteksi ini dapat di-non-aktifkan dengam memanfaatkan sinyal block via Binary Input.

Part 2 | Part 4

 

Paiton, 10 Aug 2021 20:17

Reverse Power Protection – Part II

 

Urgensi Reverse Power Protection pada Turbin Uap

Turbin uap memiliki tendensi untuk mengalami overheating apabila suplai uap terhenti dan kemudian generator yang terkopling dalam satu poros bekerja sebagai motor. Hal ini dikarenakan fungsi uap yang tidak hanya sebagai fluida kerja, namun uap juga berfungsi untuk menjaga agar turbine blading berada pada temperatur yang stabil. Sehingga hilangnya suplai uap tidak hanya menghentikan fungsi turbin sebagai prime mover, namun juga hilangnya ‘cooling system’.

 

Secara lebih detail, kondisi reverse power pada turbin uap akan menjadikan kondisi idling atau windage losses (rugi angin). Dikarenakan windage loss adalah fungsi dari diameter rotor turbin dan panjang blade, maka losses terbesar akan terjadi pada stage terakhir turbin. Windage losses juga berbanding lurus dengan kerapatan uap yang terperangkap; misalkan dalam kondisi hilangnya vacuum pada exhaust steam.

 

Bergantung pada desain dan manufaktur turbin uap, umumnya overheating akan terjadi pada saat turbin dibebani kurang dari 10%. Nilai spesifik dari manufaktur sangatlah penting karena akan digunakan sebagai setting reverse power protection. Pada umumnya, setting reverse power protection adalah -0.5%.

 

Selain pengukuran daya aktif secara langsung untuk mendeteksi reverse power, pada turbin uap terdapat beberapa metode lain untuk mendeteksi kondisi tersebut seperti:

-       pemasangan sensor temperatur pada turbine exhaust.

Namun metode ini tidak seharusnya dijadikan metode proteksi utama karena hasil pengukuran akan bervariasi bergantung pada lokasi sensor sehingga pemilihan lokasi sensor menjadi kritikal.  dipandang perlu karena windage losses terjadi.

 

-       Pengukuran steam flow.

Besarnya steam flow dijaga agar selalu berada di atas level synchronous speed. Jika tidak, maka kondisi reverse power akan terjadi. Metode deteksinya dapat menggunakan differential pressure switch pada HP turbin.

            Metode ini umumnya handal, namun malfunction secara mekanis sangat mungkin terjadi.

 

Urgensi Reverse Power Protection pada Turbin Hidraulik

Turbin hidraulik (umumnya turbin air) memiliki kemungkinan kehilangan suplai air secara tiba-tiba apabila terdapat sampah yang menyumbat jalur gate ke penstock. Apabila hal tersebut terjadi, maka akan berpotensi timbulnya kavitasi dan rusaknya runner; dan tentu saja terjadinya reverse power.

 

Untuk turbin hidraulik, setting reverse power protection adalah berkisar -0.2 hingga 2.0% dari beban normal.

 

Urgensi Reverse Power Protection pada Mesin Diesel

Reverse power protection pada mesin diesel dianggap sangat penting karena dua alasan, yaitu:

1. Karena mesin diesel relatif besar, maka gagalnya mesin diesel akan mengakibatkan generator (yang kemudian bekerja sebagai motor) akan menarik daya yang cukup besar dari jaringan; diperkirakan mencapai 15% dari kapasitas.
2. Pada saar reverse power terjadi, terdapat kemungkinan terjadinya ledakan atau kebakaran yang diakibatkan oleh akumulasi bahan bakar yang tidak terbakar (unburned fuel) pada mesin diesel.

 

Urgensi Reverse Power Protection pada Turbin Gas

Pada turbin gas, kondisi reverse power sebetulnya tidak membahayakan generator maupun turbin gas. Akan tetapi, sistem turbin gas, apabila reverse power terjadi; maka aksi motoring akan menarik daya sebesar 10 sampai 50% daya dikarenakan turbin gas menggunakan kompressor yang cukup besar.

 

Hal ini perlu dihindari agar grid tidak dibebani oleh aksi motoring turbin gas.

 

Part 1 | Part 3

 

Paiton, 3 Aug 2021 20:00