Perlindungan Generator – Jenis Kegagalan & Perangkat Perlindungan

Kerusakan Umum Generator dan Sistem Perlindungan
Klasifikasi Kerusakan Generator

Kerusakan generator terutama dikategorikan menjadi jenis internal dan eksternal:

• Kerusakan Internal: Muncul dari masalah dalam komponen generator.

• Kerusakan Eksternal: Berasal dari kondisi operasi yang tidak normal atau masalah jaringan eksternal.

Kerusakan pada mesin utama (misalnya, mesin diesel, turbin) bersifat mekanis dan didefinisikan selama desain peralatan, meskipun mereka harus terintegrasi dengan perlindungan generator untuk tujuan trip.

Jenis Kerusakan Internal
1. Kerusakan Stator

• Overheating Winding: Disebabkan oleh beban berlebihan permanen atau kerusakan isolasi.

• Kerusakan Fasa ke Fasa: Terjadi karena kegagalan isolasi antar fasa.

• Kerusakan Fasa ke Tanah: Arus bocor dari winding fasa ke rangka stator.

• Kerusakan Antara Putaran: Korsleting antara putaran yang bersebelahan dalam satu winding yang sama.

2. Kerusakan Rotor

• Kerusakan ke Tanah: Arus bocor dari winding rotor ke poros rotor.

• Korsleting Winding: Mengurangi tegangan eksitasi dan meningkatkan arus pada rotor yang dibungkus.

• Overheating: Disebabkan oleh arus stator yang tidak seimbang (misalnya, trip satu kutub, urutan fase negatif).

3. Hilang Medan/Eksitasi

• Daya reaktif mengalir ke generator, menyebabkannya beroperasi sebagai generator induksi dan kehilangan sinkronisme.

4. Operasi Out-of-Step

• Stres mekanis pada poros dan ayunan tegangan akibat hilangnya sinkronisme dengan jaringan.

5. Operasi Motor

• Generator menarik daya dari jaringan ketika pasokan mesin utama gagal (misalnya, kehilangan uap/air), berisiko overheating atau kavitasi pada turbin.

6. Kerusakan Mekanis

• Overheating bantalan, kehilangan tekanan oli pelumas, dan getaran berlebihan.

Mekanisme Overheating Rotor

Arus stator yang tidak seimbang (misalnya, urutan fase negatif) menginduksi arus eddy di rotor pada dua kali frekuensi sistem (100/120 Hz), menyebabkan overheating lokal. Ini melemahkan penahan dan cincin rotor.

Jenis Kerusakan Eksternal
Abnormalitas Sistem Tenaga

• Korsleting Eksternal: Kerusakan pada jaringan yang mempengaruhi operasi generator.

• Koneksi Tidak Sinkron: Kerusakan dari penyambungan paralel generator yang tidak tepat.

• Overload/Overspeed: Disebabkan oleh penghapusan beban tiba-tiba atau kegagalan kontrol mesin utama.

• Keseimbangan Fase/Negatif Urutan: Menginduksi arus eddy rotor dan overheating.

• Deviasi Frekuensi/Tegangan: Frekuensi/tegangan rendah/tinggi yang menekan komponen generator.

Perangkat Perlindungan Generator
Skema Perlindungan Utama
1. Perlindungan Kerusakan Stator

• Relay Diferensial: Mendeteksi kerusakan fasa ke fasa dan fasa ke tanah dengan membandingkan arus input/output.

• Perlindungan Kerusakan ke Tanah: Menggunakan relay overcurrent (untuk grounding resistansi) atau relay tegangan (untuk grounding transformator) untuk mendeteksi kerusakan ground stator.

2. Perlindungan Kerusakan Rotor

• Relay kerusakan ke tanah memantau kegagalan isolasi antara winding rotor dan poros.

3. Perlindungan Beban Tidak Seimbang

• Memantau arus urutan fase negatif dan hilangnya eksitasi, yang menyebabkan masalah aliran daya reaktif.

4. Perlindungan Overheating

• Relay termal atau sensor suhu mendeteksi overheating winding stator dan bantalan; relay urutan fase negatif menangani pemanasan rotor.

5. Perlindungan Mekanis

• Relay overspeed, sensor getaran, dan switch vakum/tekanan rendah melindungi terhadap kegagalan mesin utama dan turbin.

6. Perlindungan Cadangan dan Tambahan

• Relay daya balik mencegah operasi motor, sementara relay diferensial untuk kerusakan ground stator memberikan deteksi kerusakan utama (lihat Gambar 1 untuk koneksi tipikal).

• Differential Relays: Membandingkan arus di kedua ujung winding stator untuk mendeteksi kerusakan internal.

Prinsip Perlindungan

• Pendeteksian Tegangan Zero-Sequence: Mengidentifikasi kerusakan antar putaran dengan memantau ketidakseimbangan tegangan melalui transformator tegangan (VT).

• Penyesuaian Sistem Grounding: Skema perlindungan bervariasi berdasarkan metode grounding stator (grounding resistansi atau transformator), menggunakan CTs atau VTs untuk mendeteksi arus/voltase kerusakan.

Mekanisme Perlindungan Kerusakan Winding Rotor

Kerusakan korsleting winding rotor yang dibungkus dilindungi oleh relay overcurrent, yang melakukan trip generator saat mendeteksi lonjakan arus abnormal. Kerusakan ke tanah merupakan risiko lain bagi winding rotor, meskipun perlindungannya memerlukan pendekatan khusus.

Pada generator termal besar, winding rotor atau medan biasanya tidak di-ground, artinya satu kerusakan ground tidak menghasilkan arus kerusakan. Namun, kerusakan tersebut meningkatkan potensial seluruh sistem medan dan eksiter. Tegangan ekstra yang diinduksi oleh pembukaan medan atau pemutus generator utama—terutama selama kondisi kerusakan—dapat menekan isolasi winding medan, berpotensi menyebabkan kerusakan ground kedua. Kerusakan kedua dapat menyebabkan pemanasan besi lokal, distorsi rotor, dan ketidakseimbangan mekanis berbahaya.

Perlindungan kerusakan ke tanah rotor sering menggunakan relay yang memantau isolasi dengan menerapkan tegangan AC tambahan ke rotor. Alternatifnya, relay tegangan digunakan secara seri dengan jaringan resistansi tinggi (biasanya kombinasi resistor linear dan non-linear) di seberang sirkuit rotor. Titik tengah jaringan ini terhubung ke tanah melalui coil relay sensitif (kode ANSI/IEEE/IEC 64). Skema perlindungan modern semakin memilih kombinasi resistor linear dan non-linear untuk deteksi kerusakan dan pemantauan isolasi yang lebih baik.

Mekanisme Perlindungan Hilang Medan dan Overeksitasi

Perlindungan hilang medan menggunakan relay untuk mendeteksi perubahan aliran daya reaktif. Skema tipikal menggunakan relay Offset Mho (impedansi)—perangkat satu fasa yang dipasok oleh current transformers (CTs) dan voltage transformers (VTs)—untuk mengukur impedansi beban. Relay akan terpicu saat impedansi jatuh dalam karakteristik operasionalnya. Relay waktu akan memulai tripping generator jika daya reaktif leading berlanjut selama 1 detik (penyetelan waktu standar).

Perlindungan Overeksitasi

Untuk mencegah jenuh inti selama startup dan shutdown, perlindungan overeksitasi (kode ANSI/IEEE/IEC 59) diimplementasikan, berdasarkan hubungan:B = V/f
di mana:

• B = kepadatan fluks magnet (tesla, T)

• V = tegangan yang diterapkan (volt, V)

• f = frekuensi (hertz, Hz)

Fluks inti harus tetap di bawah titik jenuh, artinya tegangan hanya dapat meningkat proporsional dengan frekuensi (kecepatan). Peningkatan eksitasi cepat meningkatkan risiko overeksitasi, yang dideteksi oleh relays Volt per Hertz. Relay ini memiliki karakteristik linier dan melakukan trip saat V/f melebihi ambang batas yang ditetapkan.

Perlindungan Overheating Stator dan Rotor

• Winding Stator & Bantalan: Pemantauan suhu melalui resistance temperature detectors (RTDs) dan thermistors.

• Unbalance Fase Stator: Relay overcurrent time-inverse yang diset sesuai dengan toleransi panas maksimum rotor.

• Perlindungan Urutan Fase Negatif: Melindungi mesin dari pemanasan rotor akibat arus stator yang tidak seimbang, yang menginduksi arus eddy merusak di rotor.

Sistem perlindungan yang andal sangat penting untuk meminimalkan kerusakan dan waktu perbaikan, karena generator adalah salah satu komponen sistem tenaga yang paling mahal.

Perlindungan ini menggunakan relay yang membandingkan arus di dua fasa melalui current transformers (CTs), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2. Pengaturan perlindungan ditentukan oleh waktu maksimum yang dapat ditolerir oleh rotor untuk overheating, yang didefinisikan oleh persamaan K = I²t (diperoleh dari hukum Joule), di mana I adalah arus urutan fase negatif dan t adalah durasi.

Kurva arus-waktu tipikal yang ditentukan oleh produsen untuk kondisi ini bervariasi berdasarkan jenis mesin utama, seperti yang ditunjukkan dalam diagram yang dirujuk.

Sistem Perlindungan Daya Balik, Out-of-Step, dan Frekuensi/Tegangan
Perlindungan Daya Balik (Kode ANSI/IEEE/IEC 32)

Perlindungan ini menggunakan relay arah daya untuk memantau beban generator, dipasok oleh CTs dan VTs (lihat Gambar 3). Relay akan aktif saat mendeteksi aliran daya negatif—menandakan generator menarik daya dari jaringan (operasi motor)—dan melakukan trip untuk mencegah kerusakan turbin.

Perlindungan Out-of-Step

Dirancang untuk mendeteksi gangguan sistem tenaga (bukan kerusakan generator), perlindungan ini mengidentifikasi slip kutub saat generator kehilangan sinkronisme. Relay melakukan trip pada pemutus generator sambil mempertahankan turbin berjalan, memungkinkan resinkronisasi setelah gangguan hilang.

• Prinsip Operasi: Tiga relay impedansi mengukur impedansi beban. Trip terjadi jika relay aktif dalam urutan tertentu selama ayunan daya, membedakannya dari hilangnya eksitasi (yang terjadi pada medan nol) dan operasi dengan generator pada medan penuh.

Perlindungan Frekuensi dan Tegangan
Perlindungan Under/Over Frequency (Kode ANSI/IEEE/IEC 81)

• Overfrequency: Disebabkan oleh penghapusan beban tiba-tiba, berisiko overvoltage jika tidak dikelola. Kontrol generator harus menyesuaikan output untuk mencocokkan permintaan.

• Underfrequency: Hasil dari generasi yang tidak cukup untuk beban yang terhubung, menyebabkan penurunan tegangan, peningkatan eksitasi, dan overheating rotor/stator. Penghapusan beban sangat penting untuk mencegah runtuhnya sistem.

Relay Under/Over Voltage (Kode 27/59)

Memantau dan mengontrol deviasi tegangan untuk melindungi peralatan dari stres atau kerusakan.

Perlindungan Start Tambahan Fase

Mencegah start generator ke dalam kondisi kerusakan atau beban. Relay overcurrent set rendah hanya aktif saat frekuensi di bawah 52 Hz (untuk sistem 60 Hz) atau 42 Hz (untuk sistem 50 Hz), memastikan perlindungan selama transien startup.

Perlindungan Korsleting Eksternal

Relay overcurrent (50, 50N, 51, 51N) mendeteksi dan membersihkan kerusakan pada jaringan eksternal, melindungi generator dari arus kerusakan berlebihan.

Skema perlindungan ini secara kolektif mengatasi anomali operasional—dari reversi aliran daya hingga gangguan sistem luas—memastikan integritas generator dan stabilitas jaringan.