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
Gambar 3.11 Impedance characteristic of field failure mho relay
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.
