(2) Motor Protection Principles_ngajar.docx

Motor Protection Principles

Craig Wester GE Multilin [email protected]

Sejarah & Fakta Motor  Paten AS pertama untuk motor dikeluarkan untuk Thomas Davenport pada tahun 1837.

 Pada tahun 1888, Nikola Tesla mematenkan motor pertama.

• Saat ini di Amerika Utara, lebih dari 1 miliar motor beroperasi. • Motor mengonsumsi 25% listrik di Amerika Utara. • Konsumsi listrik oleh motor di sektor manufaktur adalah 70%. Di industri minyak, gas dan pertambangan sekitar 90%. • Motor induksi tiga fasa rotor sangkar menyumbang lebih dari 90% dari kapasitas motor yang terpasang.

1

Various Industry Motor Applications • • • • • • •

Fans, Blowers Pumps, Compressors Grinders, Chippers Conveyors, Shredders Crushers, Mixers Cranes, Extruders Refiners, Chillers

2

Tarif dan Biaya Kegagalan Motor •

•

•

•

Tingkat kegagalan motor secara konservatif diperkirakan 3-5% per tahun Dalam industri Pertambangan, Pulp dan Kertas, tingkat kegagalan motor bisa setinggi 12%. Kegagalan motor dibagi dalam 3 grup : • Listrik (33%) • Mekanis (31%) • Lingkungan, Perawatan, & Lainnya (36%) Penyumbang biaya kegagalan motor: • Perbaikan atau Penggantian • Penghapusan dan Instalasi • Hilangnya Produksi

IEEE STUDY FAILURE CONTRIBUTOR

AVERAGE

EPRI STUDY %

FAILED COMPONENT

Persistent Overload

4.20%

Stator Ground Insulation

Normal Deterioration

26.40%

Turn Insulation

4.00

Bracing

3.00

Core

1.00

Cage

5.00

Electrical Related Total

30.60%

Electrical Related Total

23.00

15.50%

Sleeve Bearings

Poor Lubrication

15.20%

Antifriction Bearings

8.00

Trust Bearings

5.00

Rotor Shaft

2.00

Rotor Core

1.00

30.70%

Mechanical Related Total

32.00%

3

Bearing Seals

6.00

Abnormal Moisture

5.8

Oil Leakege

3.00

Abnormal Voltage

1.5

Frame

1.00

Abnormal Frequency

0.6

Wedges

1.00

Abrasive Chemicals

4.2

Poor Ventilation Cooling

3.9

Other Reasons

19.7

Environmental Related & Other Reasons: Total

38.70%

Maintanence Related & Other Parts: Total

33%

16.00

High Ambient Temp.

Other Components

Electrical Related Failures

36.00%

High Vibration

Mechanical Related Total

%

%

Mechanical Related Failures

31% Environmental, Maintanence & Other Reasons Related Failures

21.00 32.00%

36%

Harsh Conformal Coating Can Reduce Environmental Failures

3

Stres Termal Menyebabkan Kegagalan Motor • Sebagian besar kontributor kegagalan motor dan komponen motor yang gagal terkait dengan motor yang terlalu panas. • Tegangan termal berpotensi menyebabkan kegagalan semua komponen motor utama: Stator, Rotor, Bearing, Shaft, dan Frame.

4

Risiko untuk Motor yang Terlalu Panas • Stator Windings Insulation Degradation Lifetime isolasi berkurang setengahnya jika suhu operasi motor melebihi batas termal 10oC untuk periode waktu apa pun

A-CLASS (105 ºC) B-CLASS (130ºC) F-CLASS (155 ºC) H-CLASS (180 ºC)

• Rotor Conductors Deforming or Melting (ditentukan oleh waktu henti motor) 5

Perlindungan Listrik Motor • Thermal Overload • Disebabkan proses (beban berlebih) • Kondisi lingkungan (panas) • Masalah Power Supply (Ketidakseimbangan tegangan/arus, Harmonisa) • Phase Fault • Ground Fault • Kondisi Operasi Abnormal • Over & Under Voltage • Underfrequency • Voltage and Current Unbalance • Jogging

6

Perlindungan Beban Lebih - Thermal Model Elemen pelindung motor utama dari relay proteksi motor adalah thermal overload element. Model ini harus memperhitungkan proses termal di motor saat motor mulai beroperasi, berjalan pada beban normal, berjalan pada beban berlebih dan berhenti. • Faktor dan Elemen Utama Terdiri dari Model Termal adalah : • Tingkat Pickup Overload • Kurva Overload • Konstanta Waktu Pendinginan saat running & stop • Rasio Waktu Panas / Dingin • RTD

7

Thermal Model - Motor States • Motor Stopped: Arus < “0” threshold & contactor/breaker terbuka.

• Motor Starting: Keadaan sebelumnya adalah “Stopped” & Arus > “0” threshold. Arus motor harus meningkat ke tingkat yang lebih tinggi daripada overload pickup dalam hitungan detik.

• Motor Running: Keadaan sebelumnya adalah “Starting” or “Overloading” & Penurunan arus di bawah tingkat pickup yang berlebihan.

• Motor Overloading: Keadaan sebelumnya adalah “Running” & Arus meningkat di atas tingkat pickup yang berlebihan. Thermal Capacity Used (TCU) mulai terakumulasi selama overload. 8

Thermal Overload Pickup • Atur ke maksimum yang diizinkan oleh faktor layanan (service factor) motor. • Setel sedikit di atas faktor layanan motor sebesar 8-10% untuk memperhitungkan kesalahan pengukuran

9

Thermal Model – Thermal Capacity Used • Thermal Capacity Used (TCU) adalah kriteria yang dipilih dalam model termal untuk mengevaluasi kondisi termal motor. • TCU didefinisikan sebagai persentase batas panas motor yang digunakan selama operasi motor.

Thermal Model–Hot/Cold Stall Time Ratio (HCR) Biasanya pabrikan motor menyediakan nilai kondisi motor: • •

COLD/dingin

:

motor @ suhu sekitar

HOT/panas

:

motor @ suhu terukur untuk kelas dan faktor layanan tertentu.

•

Ketika motor running di bawah pickup overload, TCU akan naik atau turun ke nilai berdasarkan arus rata-rata dan HCR. HCR digunakan untuk menghitung tingkat TCU dengan relay, di mana motor akan settle untuk arus dibawah overload pickup.

10

Hot/Cold Safe Stall Ratio =

11

Overvoltage Protection • Hasil keseluruhan dari kondisi tegangan lebih adalah penurunan arus beban dan faktor daya yang buruk. • Meskipun motor lama memiliki desain yang kuat, motor baru dirancang dekat dengan titik jenuh untuk pemanfaatan bahan yang lebih baik. • Elemen tegangan lebih harus diset ke 110% dari nameplate motor kecuali jika dimulai pada data sheet.

12

Undervoltage Protection • Hasil keseluruhan dari kondisi undervoltage adalah peningkatan arus dan pemanasan motor dan penurunan kinerja motor secara keseluruhan. • Elemen perlindungan undervoltage dapat dianggap sebagai perlindungan cadangan untuk elemen thermal overload. • Trip undervoltage harus diset ke 80-90% dari nameplate kecuali keadaan lain pada data sheet motor. • Motor yang terhubung ke sumber / bus yang sama mungkin mengalami ketidakstabilan sementara, ketika salah satu motor start. Untuk mengesampingkan sags tegangan sementara ini, setpoint waktu tunda harus ditetapkan lebih besar dari waktu starting motor.

13

Unbalance Protection • Indikasi ketidakseimbangan →arus / tegangan urutan negatif • Ketidakseimbangan menyebabkan tekanan motor dan kenaikan suhu • Ketidakseimbangan arus dalam motor adalah hasil dari tegangan saluran yang tidak sama • Untuk motor induksi tiga fase khusus: • Untuk motor kecil dan menengah, hanya trafo arus (CT) yang tersedia dan tidak ada trafo • •

tegangan (VT). Efek pemanasan yang disebabkan oleh ketidakseimbangan arus akan dilindungi dengan mengaktifkan input ketidakseimbangan pada model termal Misalnya, pengaturan 10-15% x FLA untuk alarm ketidakseimbangan arus dengan penundaan 510 detik dan pengaturan tingkat trip 20-25% x FLA untuk trip ketidakseimbangan arus dengan penundaan 2-5 detik akan tepat.

14

Ground Fault Protection • Ground Fault adalah kegagalan yang menciptakan jalur arus untuk mengalir dari salah satu fase langsung ke netral melalui bumi melewati beban • Ground faults pada motor terjadi: • Ketika insulasi konduktor fase rusak misalnya karena stres tegangan, kelembaban • Untuk membatasi tingkat arus gangguan tanah dengan menghubungkan impedansi antara netral dan tanah. Impedansi ini dapat berupa resistor atau transformator pembumian yang berukuran untuk memastikan arus gangguan tanah maksimum adalah terbatas.

15

Ground Fault Protection Zero Sequence CT Connection • Metode terbaik • Lebih sensitif & perlindungan suara yang melekat

• Semua konduktor fase dilewatkan melalui CT yang sama yang disebut sebagai CT urutan nol

• Dalam keadaan normal, arus tiga fasa akan menjumlahkan menjadi nol yang menghasilkan output nol dari secondary Zero Sequence CT.

16

Differential Protection Perlindungan diferensial dapat dianggap sebagai saluran perlindungan pertama untuk gangguan internal fase-ke-fase atau fase-ke-tanah. Jika terjadi kesalahan seperti itu, respons cepat dari elemen diferensial dapat membatasi kerusakan yang mungkin terjadi pada motor. Core balance method:

•

Dua set CT's, satu di awal feeder motor, dan yang lainnya di titik netral

•

Sebagai alternatif, satu set dari tiga CT keseimbangan inti juga dapat digunakan

•

Elemen diferensial mengurangi arus yang keluar dari setiap fase dari arus masuk ke setiap fase dan membandingkan hasil atau perbedaan dengan tingkat pickup diferensial.

17

Short Circuit Protection • Elemen short circuit memberikan perlindungan untuk kegagalan overcurrent tinggi yang berlebihan • Kegagalan fase-ke-fasa dan fasa-ke-tanah adalah jenis short circuit yang umum • Ketika motor start, arus starting (yang biasanya 6 kali Arus Beban Penuh) memiliki komponen asimetris.

Stator RTD Protection • Metode sederhana untuk menentukan pemanasan di dalam motor adalah memantau stator dengan RTD.

• Tingkat trip RTD stator harus diatur pada atau di bawah rating suhu maksimum insulasi.

• Sebagai contoh, motor dengan insulasi kelas F yang memiliki rating suhu 155 °C dapat memiliki tingkat Trip RTD Stator ditetapkan antara 140 °C hingga 145 °C, dengan 145 °C menjadi maksimum (155 °C -10 °C hot spot)

• Tingkat alarm RTD stator dapat diatur ke tingkat untuk memberikan peringatan bahwa suhu motor meningkat

18

Kesimpulan • Motor induksi & sinkron adalah aset berharga untuk fasilitas industri saat ini. • Kenaikan suhu motor menentukan hidupnya • Saat diterapkan, perlindungan termal dapat mencegah hilangnya masa pakai motor • Elemen perlindungan tambahan seperti overvoltage, undervoltage, unbalance, ground fault, diferensial, short circuit dan stator RTD melengkapi perlindungan model termal dan memberikan perlindungan lengkap motor.

19