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 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 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

Synchronous Generator Curves I: Capability Curve

Generator sinkron adalah mesin yang cukup kompleks dengan kapabilitas  yang ‘menarik’. Mesin ini dapat menghasilkan real power (P, [watt]) dan juga menarik/mensupali reactive power (Q, [VAr]). Dengan demikian mesin ini menjadi sangat mumpuni apabila didukung oleh system control yang baik.

Untuk mengetahui behaviour dari generator sinkron, cara paling mudah adalah mengetahui karakteristiknya. Karakteristik generator sinkron umumnya disajikan dalam beberapa kurva, misalkan oper-circuit curve, short-circuit curve, V-curve, dan capability curve. Kecuali V-curve, biasanya generator besar selalu dilengkapi dengan kurva-kurva tersebut di manual atau datasheet-nya. Pada bagian pertama ini akan dijelaskan Capability Curve terlebih dahulu. Bagian ini akan diuraikan bagaimana capability curve dibuat dengan cukup detail. Dengan mengerti proses penyusunannya, pembaca secara tidak langsung akan mengerti informasi apa saja yang terkandung dalam kurva tersebut.

A picture is worth a thousand of words. Setelah membaca tulisan ini, semoga kita dapat menginterpretasikan capability curve dengan lebih baik.

Capability Curve (Kurva Kapabilitas):

Adalah sebuah kurva yang merepresentasikan limitasi kinerja sebuah mesin listrik (dalam kasus ini adalah generator sinkron), baik itu limitasi internal (efek pemanasan pada lilitan stator dan rotor) maupun limitasi external (prime-mover/penggerak mula, atau yang lain). Secara teknis, kurva ini merupakan plot complex power (S=P+jQ) pada tegangan terminal generator yang konstan. Dengan demikian, untuk operasi yang optimal, generator harus bekerja di dalam area kurva tersebut. Kinerja di luar kurva biasanya masih diizinkan, namun untuk durasi yang sangat singkat.

Capability curve disajikan dalam bidang Cartesian (x-y plane). Namun sumbu-sumbunya tidak menggunakan sumbu x-y, melainkan P-Q (real dan reactive power). Pada saat ini ada 2 macam model dari capability curve:

•  Model Vertical

Model ini digunakan dengan berlandaskan pada pemodelan ANSI/IEEE Std C50/30. Sumbu x nya adalah P, sedangkan sumbu Y nya adalah Q. Daerah operasi generator sinkron berada pada kuadran I dan IV.

• Model Horizontal

Model ini populer di Eropa, UK, Australia dan beberapa negara lain. Sumbu x nya adalah Q, sedangkan sumbu Y nya adalah P. Daerah operasi generator sinkron berada pada kuadran I dan II.

Pada bahasan kali ini, capability curve tipe vertical akan digunakan. Capability curve tipe horizontal adalah sama, hanya peletakan sumbunya saja yang berbeda. Capability curve dibuat dengan menerapkan limitasi-limitasi agar generator bekerja pada area yang aman.

Batasan dalam capability curve:

Secara umum,capability curve memiliki beberapa batasan antara lain sebagai berikut:

1)   Arus stator (arus jangkar, arus armatur) tidak boleh menyebabkan overheating pada lilitan stator. Dengan demikian, arus stator dalam capability curve harus lebih kecil dari arus stator maksimum.

Sudah diketahui bersama dalam persamaan real dan reactive power:

P=VI cosφ  ==> P²=(VI)² (cosφ)²

Q=VI sinφ   ==> Q²=(VI)² (sinφ)²

Dengan
P     : Real power [Watt]

Q     : Reactive power [VAr]

V     : Tegangan terminal generator [Volt]

I      : Arus stator [A]

φ     : Sudut fasa antara gelombang tegangan dan arus

P²+ Q²=(VI)² [(cosφ)²+(sinφ)²]

Dengan catatan bahwa jumlah kuadrat fungsi sinus dan cosines adalah 1, maka:

P²+ Q²=(VI)²

Dari sini didapatkan batasan pertama capability curve:

Daerah operasi generator adalah berada di dalam bidang P-Q, berbentuk lingkaran berpusat di (0,0) dan berjari-jari (VI). Hal ini ditunjukkan dalam gambar 3.

2)   Generator adalam mesin elektrik dinamis yang mengubah besaran mekanik dari turbin menjadi listrik. JIka berlaku sebaliknya (generator mengubah daya listrik menjadi daya mekanik, yang artinya generator berubah menjadi motor) maka akan terjadi reverse power dan akan berdampak buruk pada turbin. Maka turbin harus dilindungi dari keadaan tersebut. Namun reverse power misal 0.5% selama beberapa detik masih diizinkan, sesuai dengan desain turbinnya.

     Dari sini didapatkan batasan kedua capability curve:

Daerah membuat overlapping pada batasan pertama, capability curve menyatakan generator hanya akan bekerja pada daerah operasi P positif saja. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 4.

3)   Arus rotor (arus eksitasi, If) tidak boleh menyebabkan overheating pada lilitan rotor.

Dalam bahasan power sending-receiving (Chapter yang membahas serah-terima daya anyata 2 sumber aktif), persamaan real dan reactive power pada batasan (1) di atas tidak relevan untuk digunakan. Hal ini dapat dilihat pada gambar 5, yang menyatakan bahwa jika ada pertukaran daya antara 2 sumber aktif maka real dan reactive power akan bergantung pada tegangan di kedua ujungnya, impedansi antara keduanya, serta sudut beban (load angle, power angle, transmission angle).

Persamaan P dan Q untuk gambar 5 adalah

 Dengan melakukan sedikit perubahan matematis maka:

Add caption

Dari sini didapatkan batasan ketiga capability curve:
Dengan membuat overlapping pada batasan kedua, dibuat batasan baru sebuah lingkaran berpusat di (0, -V²/X) dengan jari-jari EV/X. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 6.

4)   Sudut beban harus lebih kecil dari sudut beban maximum agar generator tetap bekerja pada daerah stabilnya.

Ini merupakan persamaan linier dasar P=mQ+c dengan gradient adalah tangent sudut beban. Pada kasus ini diambil sudut beban maksimum adalah 90 derajat.
 

Jika P=0 maka Q=-V²/X

Dari sini didapatkan batasan keempat capability curve:

Dengan membuat overlapping pada batasan ketiga, dibuat batasan baru sebuah garis dengan titik singgung di (0, -V²/X) dan sudut beban 90 derajat. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 7.

5)   Pada saat bekerja pada area –Q, maka temperature end-region pada sirkuit magnet stator tidak boleh melebihi nilai maksimumnya.

Berkaitan dengan hal ini, belum ada persamaan matematis yang dapat mendeskripsikan secara jelas.

Namun pabrikan generator sudah membuat batasan tersebut, misal berdasarkan pengalaman.

Dari sini didapatkan batasan kelima capability curve:

Dengan membuat overlapping pada batasan keempat, dibuat batasan baru sebuah garis lurus pada area Q-. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 8.

Batasan batasan tersebut  biasanya digunakan untuk menyusun capability curve. Namun, ada besaran lain yang harus diperhitungkan namun jarang sekali digambarkan pada capability curve.

6)   Pada saat generator menghasilan real power, maka real power maksimum yang dikirim bukanlah sebesar desain dari generatornya. Namun nilai real power adalah sebesar daya mekanik yang dihasikan oleh turbin.

Dari sini didapatkan batasan keenam capability curve:

Dengan membuat overlapping pada batasan kelima, dibuat batasan baru sebuah garis lurus yang samar pada area P+. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 9.

7)   Pada pembangkit besar, umumnya berbasis thermal missal PLTU batubara, uap yuntuk memutar turbin dihasilkan oleh boiler. Agar pembakaran berlangsung stabil, boiler biasanya memiliki syarat daya minimum yang harus dihasillkan. Selain kestabilan pembakaran, hal ini juga berkaitan dengan efisiensi bahan bakar.

Dari sini didapatkan batasan ketujuh capability curve:

Dengan membuat overlapping pada batasan keenam, dibuat batasan baru sebuah garis lurus yang samar pada area P+. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 10.

Pada umumnya, gambar 8 sudah dipandang cukup. Namun batasan 6 dan 7 perlu pula menjadi sebuah perhatian.

Ref:
Power system stability and control.
Operation of Large Turbogenerator.
Electric Machinery Fundamental.

Malang, Sabtu 11 Jan 2014 19:53.