Motor Protection
Unbalance Voltage (47) dan Unbalance Current (46)
Teori dan Practice
Mohamad Arifin ST, IPM
Electrical Engineer
1
Motor Protection
Teori Unbalance Current (46) dan Unbalance Voltage (47)
Ketika tegangan antar phase adalah sama/ seimbang maka arus yang mengalir tiap phase
adalah sama. Arus yang muncul hanya arus positive sequence (I1) sedangkan arus negative
sequence (I2) dan Arus Zero Sequence (I0) nilainya 0.
Ketika tegangan antar phase tidak sama/ seimbang maka arus yang mengalir antar phase nya
berbeda, arus positive sequence (I1) tetap dan tidak berubah dan akan mengalir arus negative
sequence (I2) dan Arus zero sequence (I0).
2
Motor Protection
Teori Unbalance Current (46) dan Unbalance Voltage (47)
Typical Ration untuk induction motor adalah 5 - 8.
3
Motor Protection
Teori Unbalance Current (46) dan Unbalance Voltage (47)
Unbalance Current (ANSI 46) atau Negative Sequence
Current untuk mendeteksi ketidakseimbangan arus antar
phase pada motor yang mana normalnya adalah sama/
seimbang. Disebut juga Relay Revese Phase karena
digunakan untuk memproteksi kesalahan puratan motor.
Unbalance current menggunakan sensing Current
Transformer (CT).
Unbalance Voltage (ANSI 47) atau Negative Sequence
Voltage untuk mendeteksi ketidakkeseimbangan pada
motor 3 phase yang mana normalnya tegangan antar phase
adalah sama/ seimbang. Disebut juga Relay Phase
Sequence karena digunakan untuk memproteksi power
supply sequence (Clockwise). Unbalance voltage
menggunakan sensing Voltage Transformer (VT).
Applikasi VT bisa diinstall di motor atau mengguanakan VT
bus. Menggunakan VT bus untuk banyak motor adalah
keuntungan untuk mendeteksi unbalance voltage untuk
komplet set motor tetapi kekurangannya motor akan trip
semua saat unbalance voltage terjadi.
4
Motor Protection
Teori Unbalance Current (46) dan Unbalance Voltage (47)
Definis menurut NEMA MG1 bahwa % Unbalance Voltage
adalah:
Contoh Calculation:
Calculation Impact Voltage Unbalace terhadap
Temperature Rise Motor
2
% Temp Rise = 2 x (% Unbalance Voltage)
2
= 2 x (2.9) = 16,82%
0
Motor dengan temp rise 60 C, ketika terjadi unbalance
voltage sebesar 2.9% maka
0
0
Temp Rise (Update) = 60 C x 116,82% = 70,09 C
V1= 2300V
V2: 2220V
V3: 2185V
V1 + V2 + V3
Average Voltage =
= 2235V
3
Max Deviation = 2300 - 2235 = 65V
65
Percent Unbalance Voltage = 100 ⋅
= 2.9%
2235
5
Motor Protection
Teori Unbalance Current (46) dan Unbalance Voltage (47)
Sebuah unbalance voltage yang kecil akan menyebabkan aliran negative sequence current
yang besar pada synchronous motor ataupun induction motor.
5% unbalance voltage akan menghasilkan 30% unbalance current pada motor. Situasi ini
akan menyebabkan kenaikan temperature 40 s/d 50% pada motor - Refer IEEE 3004.8 Page
47.
Motor build IEC Standard, unbalance voltage 1% akan membangkitkan 7% unbalance current
pada motor.
Unbalance Voltage
1. Revese Phase Sequence/ rotation, impact 100% Negative Sequence.
2. Unbalance Voltage, impact Partial Negative Sequence.
3. Under Voltage, impact No Negative Sequence.
6
Motor Protection
Penyebab Unbalance Current (46) dan Unbalance Voltage (47)
Unbalance Voltage bisa disebabkan oleh:
1. Load single phase yang tidak seimbang.
2. Open Winding satu phase Transformer.
3. Tap Changer Transformer tidak Connected properly.
4. Impedance Transformer tidak sama.
5. Capacitor Correction Power Faktor tidak sama antar phase.
Unbalance Current dapat disebabkan oleh:
1. Unbalance Voltage.
2. Open 1 Phase akibat kerusakan pada motor starter (entah itu overload relay, contactor
atau circuir breaker.)
3. Open 1 phase akibat fuse blown.
4. Open 1 phase akibat Auto Recloser 1 Phase untuk system cable saluran atas.
5. Loose connection pada Disconnecting switch (DS) Blade.
6. Open connection pada Cable disebabkan Overheating Cable Lug.
7. Open Connection pada JB motor akibat Vibration.
8. Open Winding Motor.
9. Gangguan Short Circuit single phase.
7
Motor Protection
Rekomendasi Penerapan Unbalance Current (46) dan Unbalance Voltage (47)
Unbalance protection
direkomendasikan digunakan
untuk semua motor dengan
rating 750kW (1000hp) atau
lebih atau motor dengan
potensi kehilangan 1 phase
sangat besar terjadi.
Lost 1 Phase bisa terjadi pada:
1. Motor dengan motor starter
meggunakan fuse Contactor.
2. Motor dengan Overhead line
distribution yang
kemungkinan putus 1 phase.
3. Upstream motor starter
menggunakan
Disconnecting Switch yang
kemungkinan tidak close
secara sempurna semua
phasenya.
8
Motor Protection
Dampak Unbalance Current dan Unbalance Voltage
Dampak Unbalance Current dan Unbalance Voltage:
1. Menyebabkan Stress Motor dan Overheating pada motor
2. Kenaikan temperature kondisi motor full load current sama dengan kondisi inrush starting
motor
3. Menyebabkan double flux frequency pada Rotor
4. Penurunan life time motor
5. Menyebabkan derating/ penurunan kapasitas motor
Khususnya motor dengan HP yang besar, unbalance menyebabkan kerusakan yang serius
meskipun arus yang mengalir pada motor dibawah overload protection motor.
9
Motor Protection
Dampak Unbalance Current dan Unbalance Voltage
Dampak Unbalance Terhadap Derating Motor
Dampak Unbalance Terhadap Temperatur Motor
10
Motor Protection
Ekstrim Unbalance Current (Lost 1 Phase)
Bentuk Ekstrim dari unbalance adalah kehilangan 1 phase.
Dibawah kondisi seperti ini, motor tidak akan bisa starting.
Jika 1 phase lost terjadi ketika motor induksi dalam kondisi
full load running, maka:
1. Wye Motor Connection: 2 arus yang normal akan
mengalami kenaikan melebihi full load current motor
(173% FLA) begitu juga di arus yang mengalir di
winding motor.
2. Delta Motor Connection: Arus Line akan mengalami
kenaikan melebihi full load current motor sedangkan
arus yang mengalir pada winding motor, 1 phase akan
melebihi full load current motor sedangkan 2 phase
yang lain dibawah full load current motor.
1 Phase Lost, untuk motor synchron akan menimbulkan
arus asymmetrical current dan kerusakan damper winding
motor.
11
Motor Protection
Ekstrim Unbalance Current (Lost 1 Phase)
12
Motor Protection
Ekstrim Unbalance Current (Lost 1 Phase)
Transformer Wye Delta, dengan motor
Wye Connection. Open 1 phase Primary
Transformer
Transformer Wye Delta, dengan motor
Delta Connection. Open 1 phase Primary
Transformer
13
Motor Protection
Prinsip Setting Unbalance Protection
Prinsip time delay Unbalance adalah sebagai berikut:
1. Diatas delay time Overcurrent protection untuk mengconsider arus gangguan short circuit
asymmetrical current yang tidak seimbang antar phase.
2. Menghindari Trip ketika Inrush Starting Motor untuk mengconsider asymmetrical DC
Component dari inrush yang tidak seimbang antar phase (Umumnya tidak lebih dari 0.1
Sec).
3. Mengconsider unequal CT burden tiap phase yang menyebabkan unequal saturation
antar phase.
14
Motor Protection
Recommendation Setting Based on International Standard
IEEE C37.96 2012 IEEE Guide for AC Motor Protection
Threshold unbalance voltage: 5% Nominal Voltage, time delay 2 detik - Refer Page 106
Threshold unbalance current: 15% Nominal Current, time delay 10 detik - Refer Page 105
IEEE 3004.8 Recommended Practice for Motor Protection In Industrial and Commercial
Power System
Threshold unbalance voltage: 3-5% Nominal Voltage, time delay 2 or 3 detik - Refer Page 49
Threshold unbalance current: 15% Nominal Current, time delay 10 detik. - Refer Page 47
IEEE Buff Book
Threshold unbalance voltage: 5% Nominal Voltage dengan time delay 2 or 3 detik. Refer Page
349
NEMA MG1
Threshold unbalance voltage maksimal: 5% Nominal Voltage. Para 20.24 dan 21.29
Threshold unbalance Current: 20 - 25% Nominal Current.
15
Motor Protection
Recommendation Setting Based on Vendor Manufacture
Alstom
Threshold Unbalance Voltage (47): 5% Nominal Voltage
1st Threshold Unbalance Current (46): 20% Nominal Current, time delay 25 second (DT Curve)
2nd Threshold Unbalance Current (46): 50% Nominal Current, time delay 5 second (DT Curve)
GE
Threshold Unbalance Current (46): 20-25% Nominal Current, time delay 2 - 5 second (DT Curve)
Schneider
1st Threshold Unbalance Current (46): 20% Nominal Current, time delay = Starting time + (1-2)
Second (DT Curve)
2nd Threshold Unbalance Current (46): 30-40% Nominal Current, time delay 0.6 second (DT
Curve)
16
Motor Protection
Recommendation Setting Based on Experience
Recommendation kita menggunakan 2 group:
Untuk proteksi unbalance voltage:
1st Threshold Unbalance Voltage: 5% nominal Voltage, delay time 2 detik (DT Curve).
Untuk proteksi ekstrim unbalance akibat kesalahan phase sequence:
2nd Threshold Unbalance Voltage: 40% nominal voltage, delay time 0.5 detik (DT Curve).
Untuk memproteksi unbalance current akibat unbalance voltage:
1st Threshold unbalance Current: 15% nominal current, delay time 5 second (DT Curve).
Untuk proteksi extreme unbalance (loss 1 phase) atau reversal phase rotation:
2nd Threshold unbalance Current: 40% nominal current, delay time 0.5 second (DT Curve).
IDMT Curve bisa menjadi pilihan dengan ketentuan setting mengijinkan Inrush starting motor dan diatas
instant/ short time Over Current Protection (50).
17
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
18