Fenomena Reverse Power Pada Pembangkit dan Akibatnya jika Gagal Diatasi

Reverse Power Relay merupakan proteksi yang wajib untuk sebuah generator yang terinterkoneksi dengan jaringan lain, atau terkonfigurasi paralel dengan generator lain. Reverse power menjelaskan mengenai fenomena berubahnya unjuk kerja sebuah mesin listrik yang awalnya adalah sebagai generator, berubah menjadi motor karena adanya perubahan arah arus atau aliran daya aktif yang awalnya dari generator menuju grid menjadi dari grid menuju generator. Artikel ini akan coba menjelaskan fenomena reverse power pada pembangkit dan akibatnya jika gagal diatasi.

Sebelum menjelaskan lebih jauh tentang reverse power, alangkah baiknya jika pembaca mengetahui terlebih dahulu apa sebenarnya penyebab reverse power ini. Kenapa bisa terjadi reverse power ?

1. Torsi yang dihasilkan oleh penggerak mula ( prime mover, dalam hal ini misalkan turbin uap, turbin gas, turbin air ) lebih kecil dari torsi yang dibutuhkan untuk menjaga agar kecepatan rotornya berada pada kecepatan proporsionalnya ( dengan referensi frekuensi grid ).

2. Terjadi kehilangan torsi dari penggerak mulanya ( dengan kata lain penggerak mulanya seperti turbin "trip" atau mengalami kegagalan operasi ) dan generator masih terhubung dengan jaringan. Karena masih ada kecepatan sisa pada rotor generatornya, sedangkan disisi stator generatornya ada tegangan dari jaringan, sehingga tegangan di stator menginduksi ke lilitan rotor yang berputar.

Contoh reverse power relay

Kata "power" dalam reverse power relay adalah menjelaskan tentang daya aktif ( watt ) sehingga pengertian reverse power relay yang dimaksud adalah relay proteksi yang melindungi generator dari daya aktif balik menuju generator atau bisa dikatakan melindungi generator menyerap daya aktif. Jika generator menyerap daya aktif maka generator tersebut yang fungsinya mensupply daya aktif  akan berubah fungsi menjadi motor yaitu menyerap daya aktif. Lain halnya dengan daya reaktif ( var ). Sebuah generator bisa menyerap daya reaktif ataupun mensupply daya reaktif ke jaringan mengkondisikan keadaan tegangan jaringan. Dan hal ini adalah wajar dan tidak berpotensi merusak peralatan sistem selama nilai daya reaktif tersebut dalam batas yang diijinkan. Oleh karena itu untuk daya reaktif tidak termasuk scope pengamanan dalam reverse power relay tersebut. Proteksi yang mengcover ketidak normalan nilai daya reaktif adalah over excitation relay atau under excitation relay.

Untuk sistem pembangkitan tunggal / hanya satu generator dan berdiri sendiri, proteksi reverse power ini tidak dibutuhkan karena memang potensi bahaya berubahnya unjuk kerja dari generator menjadi motor tidak akan terjadi. Alasannya ketika sistem generator kehilangan energi putar dari prime mover / turbin, maka yang terjadi adalah generator akan mengalami penurunan putaran atau dalam parameter elektrik sama dengan penurunan frequensi sistem sehingga generator akan lepas dari jaringan dengan tripnya breaker by proteksi dimana proteksi yang dimaksud adalah under frequency.

Dalam kasus yang sama jika problem prime mover ini terjadi pada generator yang terinterkoneksi dengan pembangkit lain atau terkonfigurasi paralel dengan generator lain maka dalam kondisi ini generator yang prime mover nya bermasalah tersebut harus trip bukan karena under frequency, tapi trip karena reverse power relay bekerja. Kenapa under frekuensi tidak bekerja? karena pada kondisi generator terinterkoneksi dengan pembangkit lain atau terkonfigurasi paralel dengan generator lain saat terjadi reverse power, generator tersebut tidak akan mengalami penurunan putaran atau penurunan frekuensi generator. Hal ini disebabkan karena generator tersebut sudah berada pada sistem sinkron dimana generator tersebut akan menjaga supaya besarnya output tegangan generator dan besarnya frekuensi generator terkunci pada nilai yang sama mengikuti sistem / grid, meskipun generator tersebut sudah berubah fungsi menjadi motor.

Single line generator kondisi normal vs reverse power

Pada kondisi ideal, untuk generator yang terinterkoneksi dengan pembangkit atau generator lain saat mengalami problem prime mover atau turbin trip, maka generator tersebut juga akan trip dengan proteksi reverse power relay bekerja.

Jadi pada dasarnya, reverse power relay merupakan proteksi yang terpasang pada feeder generator dengan parameter proteksi terhadap pembacaan besaran listrik tetapi area pengamanan adalah mengamankan peralatan mekanik dalam hal ini adalah prime over / turbin.

Arah Putaran Generator Saat Reverse Power

Bagaimana arah putaran generator saat terjadi reverse power? Mungkin diantara pembaca ada yang punya pertanyaan seperti ini. Pengalaman penulis banyak diantara praktisi listrik yang beranggapan bahwa ketika terjadi reverse power yaitu berubahnya unjuk kerja generator menjadi motor maka putaran dari generator yang menjadi motor tersebut akan berubah arah karena adanya perubahan arah arus terhadap generator. Berubahnya arah putaran inilah yang nantinya akan merusak prime mover generator tersebut. Itu anggapan mereka yang menguatkan alasan kenapa proteksi reverse power sangat penting, dan anggapan tersebut adalah suatu kekeliruan.

Fakta dilapangan membuktikan bahwa saat terjadi reverse power, putaran generator sama sekali tidak ada perubahan baik arahnya ataupun nilai rpm nya. Nilai rpm putaran generator yang sudah berubah kondisi menjadi motor tetap akan mereferensi pada nilai frekuensi jaringan karena generator tersebut sebelumnya sudah menjadi bagian dari sistem sinkron.

n = 120 * F / P

dimana :
n = Putaran Generator / Motor (rpm)
F = Frekuensi Generator / Motor (Hz)
P = Jumlah kutub Genertor / Motor (buah)

Karena nilai frekuensi generator / motor (F) mereferensi pada nilai frekuensi grid, maka nilai besarnya rpm putaran (n) akan tetap disebabkan nilai 120 adalah konstanta tetap, dan jumlah kutub generator (P) juga tidak mungkin berubah, sesuai desain awal.

Adapun arah putaran yang tetap searah antara generator ataupun motor dikarenakan memang tidak ada perubahan urutan fasa pada generator atau motor tersebut terhadap sistem. Yang berubah hanyalah arah arus (I)  saja yang membuat berubahnya unjuk kerja dari generator menjadi motor. Bukankah metode merubah arah putaran motor dari sisi elektrik adalah dengan merubah urutan phasa? Saya tidak pernah menemukan metode merubah putaran motor dengan cara merubah arah arus listrik atau merubah aliran daya aktif terhadap motor tersebut. Meskipun saya tidak menyertakan rumus teoritis akan masalah ini, mudah-mudahan pembaca sudah bisa menerima jawaban akan permasalahan tidak berubahnya putaran generator yang menjadi motor tersebut saat terjadi reverse power.

Dari penjelasan diatas maka alasan pentingnya proteksi reverse power bukanlah pada masalah berubahnya arah putaran generator yang menjadi motor, tetapi ada alasan lain yang lebih kompleks. Mudah-mudahan uraian berikutnya bisa menjadi pencerahan.

Kondisi Prime Mover (Turbin) Saat Terjadi Reverse Power

Sebuah prime mover dalam hal ini adalah turbin, didesain untuk menggerakan generator, dan tidak didesain sebagai objek yang digerakkan. Jika pada kasus ini saya mengambil contoh turbin uap, maka turbin tersebut didesain dengan konstruksinya untuk bergerak selaras menerima tekanan uap yang masuk ke turbin. Artinya sudu-sudu turbin akan berputar dengan torsi searah dengan arah uap masuk.

Ketika terjadi masalah pada sistem pembangkit yang mengharuskan turbin trip dan menutup valve supply uap ke turbin, maka akan terjadi reverse power pada generator karena kehilangan tenaga penggeraknya sehingga pada kondisi ini selain berubahnya unjuk kerja generator menjadi motor juga terjadi perubahan fungsi turbin dari yang semula sesuai desain yaitu sebagai penggerak, kini menjadi objek yang digerakkan. Dalam hal ini tenaga penggeraknya adalah putaran generator yang sudah berubah fungsi menjadi motor dengan menyerap daya listrik dari grid.

Bagaimana Kondisi Turbin Saat Terjadi Reverse Power dan Proteksi Gagal Mengamankan?

Torsi dari sudu-sudu turbin yang sebelumnya searah dengan tekanan uap, kini sudu-sudu turbin tersebut berputar dengan torsi melawan arah putarnya. Torsi dari turbin yang dimaksud adalah media didalam ruang turbin yaitu udara bebas. Jika udara tersebut berinteraksi dengan putaran sudu-sudu turbin, maka udara tersebut akan menjadi torsi turbin yang arahnya berlawanan.

Logika praktis yang penulis pahami dengan struktur kemiringan yang dimiliki sudu-sudu rotor turbin, penulis coba menganalogikan seperti sebuah blower dengan kondisi kemiringan komponen baling - balingnya berinteraksi dengan udara disekitarnya saat baling-baling blower tersebut diputar. Jika seandainya blower tersebut bisa difungsikan sebagai penghisap udara dan penghembus udara, maka kita bisa menyimpulkan:

- Saat blower tersebut difungsikan sebagai penghembus udara ( contoh : kipas angin ) maka secara mekanik poros baling-baling blower akan mendapatkan gaya menekan atau mendekati poros motor penggeraknya atau sebaliknya tergantung arah posisi kemiringan baling-baling blower tersebut dan arah putarannya.

- Saat blower tersebut difungsikan sebagai penghisap udara maka secara mekanik poros baling-baling blower akan mendapatkan gaya menjauhi poros motor penggeraknya atau sebaliknya tergantung arah posisi kemiringan baling-baling blower tersebut dan arah putarannya.

Artinya dengan struktur kemiringan baling-baling blower tersebut, jika sudah berinteraksi dengan udara saat baling-baling blower tersebut diputar, maka akan menyebabkan sebuah gaya mekanik dari poros baling-baling blower tersebut terhadap poros motor penggeraknya, bisa menjauhi ataupun mendekati terhadap poros motor penggeraknya.

Analogi sederhana diatas walaupun tidak sepenuhnya identik dengan sudu-sudu rotor turbin, tetapi saat terjadi reverse power setidaknya ada sebagian persamaan yakni terdapat struktur kemiringan tertentu pada setiap sudu-sudu rotor turbin dan berinteraksi dengan media yang sama yaitu udara tanpa campur tangan dengan uap bertekanan. Apa yang terjadi dengan turbin pada kondisi ini adalah seperti analogi diatas, poros turbin akan mendapatkan gaya untuk menjauhi poros generator atau mendekati poros generator berdasarkan kondisi arah kemiringan sudu-sudu dan arah putaran turbin tersebut. Jika pergeseran poros turbin tersebut mengakibatkan keluarnya posisi sudu-sudu rotor turbin dari tempat seharusnya atau diluar batas yang diijinkan, maka akan berakibat fatal terhadap turbin tersebut seperti contohnya terjadi interaksi secara langsung antara sudu-sudu rotor turbin dengan bagian body stator turbin yang secara kontruksi posisi sudu-sudu rotor turbin posisinya sangat berdekatan dengan body stator turbin tersebut. Hal ini bisa mengakibatkan patahnya bagian sudu-sudu dari rotor turbin tersebut yang berinteraksi dengan body stator turbin. Hal lainnya yang mungkin terjadi adalah kerusakan pada bagian gear box turbin generator jika media poros antara turbin dan generator tersebut terhubung melalui sebuah gear box.

Fatal tidaknya kerusakan yang ditimbulkan dari gagalnya reverse power berbanding lurus dengan berapa lama waktu yang terjadi ketika generator  tersebut berperan sebagai motor. Itulah sebabnya pentingnya proteksi reverse power mengamankan dengan waktu yang cepat.

Demikian artikel singkat tentang fenomena reverse power pada pembangkit dan akibatnya jika gagal diatasi, semoga bisa menjadi tambahan referensi dan jika ada masukan ataupun koreksi ataupun berbagi pengalaman mengenai hal yang sama, bisa meninggalkan jejak di kolom komentar.

Wassalam.