Motor Protection
Overload dan Phase Over Current Protection
Teori, Device dan Setting
Mohamad Arifin ST, IPM
Electrical Engineer
1
Motor Protection
Overload dan Phase Over Current Protection
Proteksi motor secara essensial berfungsi untuk memastikan motor beroperasi secara terus
menerus.
Prosentase kerusakan motor secara internal
motor disebabkan oleh:
1. Overload
30%
2. Isolation damage
20%
3. Phase failure
14%
4. Bearing damage
13%
5. Ageing
10%
6. Rotor demage
5%
7. Other
8%
Penyebab kerusakan motor dibagi dalam 3
group:
1. Electrical 33%
2. Mechanical 31%
3. Environmental, Maintenance and Other
36%
Hampir semua kerusakan motor terkait dengan overheating motor.
Thermal Stress akibat dari arus short circuit dapat menyebabkan kerusakan yang fatal pada
bagian motor seperti Stator, Rotor, Bearing, Shaft dan Frame.
2
Motor Protection
Overload dan Phase Over Current Protection
Prinsip dasar dari proteksi Overload dan Over Current motor adalah menjaga agar motor
beroperasi tidak melebih Full Load Current (FLC) motor dan waktu starting yang lama, melebihi
Damage Curve Motor dan stall time (Hot/Cold) dari motor.
Secara prinsip kita mengenal 2 (dua) type proteksi arus dalam motor, dimana semua memiliki
tujuan masing-masing:
1. Proteksi Overload (49)
2. Proteksi Phase Over Current (50/51)
3
Motor Protection
Overload Relay (49)
Overload adalah gangguan motor yang paling umum terjadi. Secara definis, Overload adalah
ketika power yang mengalir melebihi rater power dari motor.
Overload menyebabkan kenaikan arus yang mengalir pada winding motor dan mengakibatkan
kenaikan temperature (overheating) pada winding. Kenaikan temperature ini dapat menyebabkan
kerusakan winding motor. Proteksi yang digunakan untuk gangguan Overload adalah Overload
Relay (49).
Overload Relay atau proteksi arus lebih bertujuan untuk:
1. Memproteksi arus lebih pada motor ketika terjadi overload yang disebabkan abnormal
driven load semisal Pump, Fan, Compressor dll. Ciri Trip akibat hal ini adalah motor sudah
running normal, kemudian terjadi trip pada relay 49.
2. Memproteksi motor saat terjadi Stall Rotor/ kegagalan starting. Hal ini bisa disebabkan
oleh masalah mechanical seperti permasalahan bearing, gearbox ataupun misalignment.
Ciri trip akibat stall rotor adalah motor sedang proses starting, kemudian terjadi trip pada
relay 49.
3. Memproteksi motor ketika motor running terlalu lama, melebihi Starting Time dari motor.
4
Motor Protection
Overload Relay (49)
Prinsip dari Overload Relay adalah
Ir < Ioverload < Idamege curve
5
Motor Protection
Overload Relay (49)
Thermal Overload adalah bimetallic equipment yang
prinsip kerjanya menggunakan kenaikan temperature
akibat arus yang melaluinya dan menyebabkan Coil
contact close.
Thermal Overload relay biasanya dikombinasikan
dengan Contactor, dimana Coil Thermal Overload relay
akan mengerakkan Contactor untuk Open.
Kenaikan temperature equivalent dengan besaran arus
yang mengalir.
6
Motor Protection
Overload Relay (49)
Thermal Overload Relay dipilih berdasarkan Curve Class
seperti Class 10, Class 20 dan Class 30. Pemilihan Class
Overload Relay mengikuti Starting Time dan Stall time motor.
Definisi Class 10 adalah relay akan pickup ketika inrush
current time motor terjadi di sekitar 10 detik.
Perkembangan terkini, Thermal Overload Relay konvensional
diatas sudah digantikan dengan Multifuction/ numeric
Protection Relay seperti Tesys T (Schneider) atau Simocode
(Siemens) dll. Kelebihannya bahwa Class Overload Relay bisa
kita setting sesuai keinginan kita.
Berdasarkan Curve dari conventional relay thermal overload,
Curve kondisi HOT lebih rendah dibandingkan curve kondisi
COLD, hal ini berarti Conventional Thermal Overload relay
membutuhkan waktu untuk cold down (setelahTrip) sebelum
dirunning kembali.
Hal ini tidak berlaku jika kita mengguankan overload relay (49)
yang built-up dengan multifunction/ numeric Relay.
7
Motor Protection
Overload Relay (49)
Thermal Overload relay tripping time
8
Motor Protection
Thermal Overload Protection
Thermal overload relay dikolaborsikan dengan
Contactor untuk memproteksi motor. Pada
saat terjadi overload, thermal overlod relay
akan bekerja dan men-tripkan contactor.
Thermal Overload relay juga bekerja pada saat
starting motor terlalu lama (melebihi demange
curve motor dan stall time motor).
CONCERN
Overload relay yang dikombinasikan dengan Contactor untuk proteksi overload motor. Mereka tidak diijinkan untuk
digunakan proteksi untuk arus short circuit yang mana akan diproteksi oleh Fuse atau Circuit Breaker sesuai dengan
NEC Article 430.52. Hal ini dikarenakan Contactor tidak memiliki Breaking Capability.
9
Motor Protection
Time Over Current Protection (51)
Time Over Current (51)
Proteksi time over current berfungsi sama seperti Over Load Relay. Relay 51 tersedia didalam
Numeric relay. Berbeda dengan Overload relay yang curve proteksinya menggunakan Class
Curve, Over current long time (51) menggunakan DT (Definite Time) dan IDMT (Inverse Definite
Minimum Time).
IDMT berdasarkan IEC Curve IDMT terbagi menjadi SIT, VIT dan EIT. Pemilihan type curve SIT, VIT
dan EIT disesuaikan sesuai dengan kebutuhan.
10
Motor Protection
Instant/ Short Time Over Current Protection (50)
Instant/ Short time Over Current (50)
Dikenal sebagai instant Over current yang digunakan
untuk memproteksi motor dari gangguan arus short
circuit. Short Circuit Current ini bisa menyebabkan
kerusakan serius pada motor dimana menyebabkan
Electrodynamic Stresses/ Force yang berakibat
kerusakan serius winding motor dan kerusakan medan
magnet motor secara permanent.
Besarnya arus short circuit kontribusi dari motor adalah
sesuai dengan LRC (Lock Rotor Current) Motor. Data bisa
didapatkan di manufacture data report. Jika tidak
disediakan, bisa merefer standard IEEE disamping.
11
Motor Protection
Instant/ Short Time Over Current Protection (50)
Typical Short Circuit berdasarkan frekuensi
kejadian:
1. Single phase to ground 70 - 80%
2. Phase to phase to ground 10 - 17%
3. Phase to phase 8 - 10%
4. Three phase 2 - 3%
Device yang digunakan untuk memproteksi short circuit
adalah
1. Fuse memutus arus short circuit dengan melting dan
harus diganti setelah kejadian
2. Magnetic circuit breaker yang secara otomatis trip
breaker dan hanya membutuhkan reset setelah
kerjadian.
3. Multifunction Relay yang akan pick-up dan akan
mentripkan VCB
12
Motor Protection
Device Proteksi motor
Berikut adalah device dari proteksi motor:
1. Fuse dan Overload relay yang
dikombinasikan dengan Contactor.
2. MCCB dikombinasikan dengan MA
(Magnetic Amper). Overload relay yang
dikombinasikan dengan Contactor
3. MCCB dikombinasikan dengan MA
(Magnetic Amper). Multifunction/ numeric
relay yang dikombinasikan dengan
Contactor
4. VCB dikombinasikan dengan
multifunction/ numeric relay
13
Motor Protection
Fuse
Fuse memiliki kemampuan untuk memproteksi short
circuit current. Fuse membatasi I2 t dan Electrodynamic
stress (Icrete).
Fuse tidak digunakan untuk proteksi Overload.
Sizing fuse adalah diatas In rated current motor dan
tidak lebih besar 1.3 In, dan harus mengijinkan motor
untuk starting.
14
Motor Protection
Circuit Breaker (MCCB, ACB, VCB)
Selain Fuse, Circuit breaker (CB) juga digunakan untuk proteksi
motor dari short circuit. untuk LV system LV CB dikenal sebagai
MCCB (Molded Case Circuit Breaker).
CB digunakan sebagai proteksi short circuit karena memiliki
dengan Breaking capacity.
Breaking capacity di representasikan sebagai kemampuan CB
untuk OPEN saat terjadi arus short circuit (rms).
Breaking Capacity dari MCCB terdiri dari 2 yaitu:
1. Ics : Service breaking capacity
2. Icu : Ultimate (Maximum) breaking capacit
Dimana Icu sama/lebih besar dari Ics.
15
Motor Protection
LV MCCB
Tripping device MCCB terbagai menjadi 2 yaitu
1. Thermal Magnetic Device: Untuk Proteksi Feeder
2. Magnetic Device: Untuk proteksi motor dan dikombinasikan dengan overload relay
Ir : Setting current untuk proteksi overload
Im : Tripping current untuk magnetic protection
Inst : Tripping current untuk instant magnetic protection
Ics : Service rated breaker capacity
Icu : Ultimate breaker capacity
16
Motor Protection
Prinsip Setting Proteksi
Prinsip Setting Thermal Overload Relay (49) dan
Phase Over Current (50/51):
1. Inrush starting motor yang tinggi adalah
normal dan alamiah, untuk itu relay proteksi
tidak boleh TRIP
2. Setting proteksi harus dibawah Damage
Curve motor
3. Setting proteksi harus dibawah stall time
hot/ Cold kondisi
4. Setting proteksi harus dibawah Damage
Cable Curve
5. Overload Relay tidak bekerja dan Contactor
tidak open saat terjadi short circuit.
6. Saat terjadi arus short short circuit, device
yang bekerja adalah Fuse atau CB (Circuit
Breaker)
7. Short circuit relay harus di set untuk
mendeteksi minimum short circuit current
dan tidak boleh melebihi maksimal short
circuit current yang bisa terjadi
17
Motor Protection
Behaviors Motor
IEEE C37.96.2012 IEEE Guide for AC Motor Protection
18
Motor Protection
Behaviors Motor
IFL (Full Load Current) : manufacture data report motor
ILR (Lock Rotor Current),Typically 600% IFL : manufacture data report motor
Locker Rotor time/ Stall time: manufacture data report motor
Thermal Capability Curve motor: manufacture data report motor
Starting time: manufacture data report motor
19
Motor Protection
Behaviors Motor
20
Motor Protection
Behaviors Motor
21
Motor Protection
Behaviors Motor
22
Motor Protection
Behaviors Motor
23
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi IEEE C37.96-2012
Setting Pickup 51-1 relay adalah 1.15 - 1.25 x IFL (Full load Current)
Motor.
Setting Inverse curve 51 Relay adalah 1.5 x IFL motor. Time delay
Curve Inverse dengan Curve LRC (Lock Rotor Current) adalah 2 sec
(starting time motor 5 s/d 10 sec) dan 5 sec (starting time motor 40
s/d 50 sec).
Backup setting pickup 51-2 relay dibuat pickup lebih tinggi yaitu 2 3 x IFL motor dengan Inverse curve diatur agar tetap tidak melebihi
batas thermal starting motor.
Pickup Setting 50-1 relay adalah 2 x ILR (Lock Rotor Current) dengan
short time delay 6 Cycle - 15 Cycle (system 50Hz setara 0.12 - 0.3
sec).
Para 7.2.10.9 Page 115
24
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi IEEE C37.96-2012
Pickup setting 50 adalah 1.65 - 2.5 x ILR dengan No
Time Delay.
Para 7.2.10.5 Page 111
25
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi IEEE C37.96-2012
Pickup setting 49 relay adalah
110% IFL SF 1.0 dan 120% IFL
untuk SF 1.15.
Pickup setting 50-1 adalah 2 x ILR
dengan No Time Delay untuk
dengan mencosider
Asymmetrical current.
Pickup setting 50-2 adalah 1.1 1.25x ILR dengan short time delay
0.1 s/d 0.25 sec.
Para 7.2.10.5 Page 111
26
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi Buff Book IEEE 242-2001
LV Motor
Pick-up setting 49 relay adalah 11.5 x IFL (Full load
Current) Motor.
Setting Instantaneous 50 Relay harus dibawah
Contactor break value tetapi masih tetap
mengijinkan konsidi asymmetrical starting current
motor.
27
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi Buff Book IEEE 242-2001
LV Motor
Setting 50 relay adalah 1.76 ILR (Lock Rotor
Current) dengan delay time.
Para 10.4.1.4 page 354
MV Motor
Setting 51 Relay adalah 110 s/d 120% IFL (Full
load Current) Motor.
Setting 51 Relay Extreme 125 s/d 140% IFL
(Full load Current) Motor.
Setting 50-1 relay adalah 1.65 s/d 1.87 ILR
(Lock Rotor Current) dengan No Time Delay.
Setting 50-2 relay adalah 1.15 ILR (Lock Rotor
Current) dengan Time Delay 1 sec.
Para 10.5.1 page 359
28
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi Buff Book IEEE
242-2001
Setting 50-1 relay adalah 2 x ILR (Lock
Rotor Current) dengan No Time Delay.
Setting 50-2 relay adalah 1.15 ILR (Lock
Rotor Current) dengan Time Delay 1
sec.
Para 10.5.1 page 359
29
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi Buff Book IEEE
242-2001
Alternative setting untuk high inertia
motor.
Para 10.5.1 page 360
30
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi IEEE 3004.8 Motor
Protection
LV Motor
Pick-up setting 49 relay adalah 1.15 x IFL
(Full load Current) Motor.
Setting Instantaneous 50 Relay harus
dibawah Contactor break value tetapi masih
tetap mengijinkan konsidi asymmetrical
starting current motor.
Pickup setting 50 relay adalah 1.76 ILR (Lock
Rotor Current) sebagai estimasi
asymmetrical inrush current.
Para 7.5.6 Page 62
31
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi IEEE 3004.8 Motor
Protection
MV Motor
Setting 51 Relay adalah 110% s/d 120%
dari IFL
Extreme Setting 51 Relay 125% s/d 140%
dari IFL
Setting 50 Relay adalah 1.65 s/d 2.5 ILR
dengan delay time.
Para 8.3 Page 71
32
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi IEEE 3004.8 Motor Protection
Setting 50-1 relay adalah 2 x ILR (Lock Rotor
Current) dengan No Time Delay.
Setting 50-2 relay adalah 1.15 - 1.25 ILR dengan
Time Delay 1 sec.
Para 8.3 Page 73
33
Motor Protection
Setting Relay Refer Standard
Rekomendasi IEEE 3004.8 Motor Protection
Alternative setting untuk high inertia motor.
Para 8.3 Page 74
34
Motor Protection
Recommendation Setting Relay Based on Experience
Setting Overload Relay: IFL x SF
SF
Setting Value
1.0
1 - 1.15 IFL
1.15
1.15 - 1.25 IFL
35
Motor Protection
Recommendation Setting Relay Based on Experience
Pickup setting 50-1 adalah 2.2 x ILR
(Lock Rotor Current) dengan No
Time Delay.
Pickup setting 50-2 adalah 1.15 ILR
dengan Time Delay 0.05 - 0.1 sec
dengan pertimbangannya.
Bahwa arus transient bekerja
pada 1.5 - 4 Cycle, dimana dalam
system 50Hz berarti 0.4- 0.08 sec.
Disini bisa disimpulkan bahwa
arus asymmetrical current dari
arus inrush tidak pernah melebihi
0.1 sec.
36
Motor Protection
Recommendation Setting Relay Based on Experience
Setting Inverse curve 51 Relay adalah 1.2 - 1.5 x IFL motor. Time delay Curve Inverse dengan
Curve LRC (Lock Rotor Current) adalah 2 sec (starting time motor 5 s/d 10 sec) dan 5 sec
(starting time motor 40 s/d 50 sec).
37
Motor Protection
TCC Curve
TCC (Time Current Characteristic Curve adalah plot
yang digunakan dalam coordinaiton relay
Data yang harus dimunculkan dalam TCC untuk
protection motor:
1. Curve arus motor kondisi starting dan kondisi
normal, baik ditegangan 100% dan 80%
2. Stall time motor (Hot dan Cold). Kadang data motor
memberikan salah satu saja. based on IEEE Ratio
Hot/ Cold :0.86
3. Damage Curve motor
4. Damage Curve Cable
5. Plot hasil short circuit current Min dan Max.
6. Curve relay 49/51
7. Curve relay 50
8. Curve Device Fuse/ MA/ Solid State Trip Device
38
Motor Protection
TCC Curve
MCCB TCC Curve
Fuse TCC Curve
39
Motor Protection
TCC Curve Protection Motor
40
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot protection motot dengan
Curve Definite Time
Plot protection motot dengan
Curve Definite Time
41
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Fuse Contactor dengan
Multifunction Relay
42
Plot MCC MVCB dengan
Multifunction Relay
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Fuse Contactor
43
Plot Fuse Contactor dan ACB Incoming
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot MCC Fuse Contactor + LVCB + LVCB
Plot MCC Fuse Contactor + LVCB + LVCB +Fuse Primary Transformer
44
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot MCC MV Fuse Contactor
45
Plot MCC Fuse Contactor + MVCB Secondary
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot MCC Fuse Contactor + MVCB
Secondary + MVCB Primary
46
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Coordination LV Motor.
1. Thermal Overload Relay + LVCB MA
2. Incoming ACB dengan multifunction Relay + Solid state
trip
Plot Coordination MV Motor.
1. MCC Fuse Contactor + Multifunction Relay
2. MVCB dengan Multifunction Relay
47
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Coordination MV Motor.
1. MCC Fuse Contactor +
Multifunction Relay
2. MVCB dengan Multifunction Relay
48
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Coordination MV Motor.
1. MCC MVCB dengan
Multifunction Relay
2. Incoming MVCB dengan
Multifunction Relay
MCC MVCB dengan
Multifunction Relay
49
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Coordination LV Motor.
1. MCCB MA + Contactor dengan
Thermal Overload Relay
2. Incoming ACB dengan Multifunction
Relay + Solid state trip
50
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Coordination MV Motor.
1. MCC MVCB dengan Multifunction
Relay
2. Incoming MVCB dengan
Multifunction Relay
51
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
MCC LVCB dengan MA dan
Contactor dengan Thermal Overload
MCC MV Fuse dan Contactor
dengan Multifunction Relay
52
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Coordination Multifunction Relay + MA +
Multifunction Relay 2 Level di Upstreamnya
53
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Coordination Multifunction Relay + MA +
Multifunction Relay 2 Level di Upstreamnya include
Solid State Trip Device (Micrologic)
54
Motor Protection
Practice TCC Relay Setting Protection Motor
Plot Coordination MV Motor.
1. MCC MVCB Incoming MVCB
2. Outgoing MVCB
3. Incoming
4. GTG include
55
Motor Protection
Reference
1. IEEE 3004.8 - 2012 Recommended practice for motor protection in industrial and
commercial power system
2. IEEE C37.96 - 2012 IEEE Guide for AC Motor Protection
3. IEEE 242 - 2001 Recommended practice for protection and coordination of industrial and
commercial power system
4. Electrical Books
5. Experience Project PT Rekayasa Industri yang sudah diterapkan dalam Plant
56