ANALISIS DAN SIMULASI KUALITAS DAYA : FAKTOR DAYA, TEGANGAN KEDIP DAN
HARMONISA PADA PERENCANAAN SISTEM KELISTRIKAN PT. SEMEN GRESIK
(PERSERO) Tbk. PABRIK SEMEN TUBAN IV
Arrifat Lubis 2206100004
Program Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS Gedung B dan C Sukolilo Surabaya – 60111
Abstrak: PT Semen Gresik (Persero) Tbk. saat ini mempunyai kapasitas produksi 2,5 juta ton semen /tahun, akan
ditingkatkan menjadi 3 juta ton semen /tahun. Untuk mendukung peningkatan produksi tersebut, akan dibangun Pabrik
Semen Tuban IV. Dengan peningkatan produksi ini akan muncul permasalahan power quality dalam sistem
kelistrikannya. Diantara dampak yang muncul akibat penambahan kapasitas produksi adalah voltage sag akibat starting
motor, power factor turun dan munculnya harmonisa. Dengan adanya voltage sag akan berpengaruh pada peralatan –
peralatan yang sensitif terhadap penurunan tegangan. Penurunan power factor dan munculnya harmonisa juga akan
mengurangi efisiensi dari penggunaan energi listrik. Untuk itu diperlukan analisis terhadap sistem kelistrikannya guna
mengurangi dampak akibat penambahan kapasitas produksi.
Tugas akhir ini akan membahas evaluasi penurunan power quality pada sistem kelistrikan PT Semen Gresik
(Persero) Tbk. Pabrik Semen Tuban IV dan upaya penanggulangannya.
Kata kunci : faktor daya, harmonisa, tegangan kedip
1. PENDAHULUAN
Suatu sistem tenaga listrik dikatakan memiliki tingkat keandalan yang tinggi apabila sistem tersebut mampu menyediakan pasokan energi listrik yang dibutuhkan oleh konsumen secara kontinyu dan dengan kualitas daya yang baik dari segi regulasi tegangan maupun regulasi frekuensinya. Tersedianya penyaluran energi listrik yang kontinyu pada suatu kawasan industri akan menghindarkan perusahaanbtersebut dari kerugian produksi atau “loss of
production” yang secara finansial akan sangat merugikan
perusahaan.
Pada kenyataannya, banyak permasalahan-permasalahan yang dihadapi oleh suatu sistem tenaga listrik dalam penyediaan energi listrik secara kontinyu. Permasalahan kualitas daya listrik bagi suatu industri merupakan permasalahan yang sangat rumit dan melibatkan berbagai peralatan listrik yang berbeda pada sistem kelistrikannya. Pada saat yang bersamaan, beban – beban yang terdapat pada sebuah industri saat sekarang ini tergantung pada proses elektronik dan kontrol. Beban – beban seperti itu, sering kali peka terhadap perubahan kualitas daya listrik daripada beban – beban elektro-mekanik tradisional beberapa dekade yang lalu.
Beberapa gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik adalah tegangan kedip (voltage sags), factor daya turun, dan munculnya harmonisa. Dengan adanya tegangan kedip akan berpengaruh pada peralatan - peralatan yang sensitif terhadap penurunan tegangan. Penurunan factor daya dan munculnya harmonisa juga akan mengurangi effisiensi dari penggunaan energi listrik. Untuk itu diperlukan evaluasi terhadap sistem kelistrikannya guna mengurangi dampak akibat penambahan kapasitas produksi.
Dalam perhitungan daya, faktor daya memegang peran sangat penting. Faktor daya merupakan ukuran daya yang dikirim antara sumber dan beban. Faktor daya bervariasi antara 0 sampai 1, tetapi biasanya dinyatakan dalam persen. Sedangkan penyebab utama terjadinya tegangan kedip yaitu kesalahan pada jaringan sistem. Penyebab lainnya adalah besarnya beban (terutama dalam sistem industri), dan terkadang juga disebabkan besarnya beban induktif. Beban tak linier merupakan penyebab utama munculnya harmonisa pada jaringan listrik, harmonisa tersebut merupakan permasalahan yang sangat serius bagi industri - industri besar. Beban tak linier adalah peralatan-peralatan elektronika daya seperti variable speed drive,
rectifier, inverter dan ups. Peralatan elektronika daya
gelombang yang tidak sinusoidal. Gelombang tersebut terinterferensi dengan gelombang frekuensi tinggi (harmonisa) sehingga menyebabkan gangguan pada sistem tenaga listrik beserta peralatannya.
Tujuan yang hendak dicapai adalah mempelajari kualitas daya dari sistem kelistrikan di PT. Semen Gresik Tbk. Pabrik Semen Tuban IV, khususnya tentang faktor daya, harmonisa dan tegangan kedip yang terjadi, memodelkan dan mensimulasikan sistem kelistrikan tersebut dengan software ETAP 5.0.3. Kemudian menganalisis hasil simulasi tersebut. Dengan demikian, diharapkan terjadi perbaikan kualitas daya listrik dan pemakain daya listrik
Hasil yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat dalam dunia industri sehingga dapat diterapkan di dunia industri yang memiliki masalah faktor daya, harmonisa dan tegangan kedip. Serta dapat meningkatkan penguasaan IPTEK di bidang peningkatan kualitas daya.
2. LANDASAN TEORI
2.1. Faktor DayaFaktor daya merupakan salah satu indikator baik buruknya kualitas daya listrik. Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif dan daya reaktif. Faktor daya juga disimbolkan sebagai cos θ, dimana:
S P pf
Cos
(1)
Salah satu cara yang lazim untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan cara kompensasi daya reaktif dimana sebagian kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan beban didapat dari kompensator daya reaktif. Salah satu kompensator daya reaktif adalah kapasitor bank dengan
rating kvar sebagai berikut:
awal t et
P
Q tan tanarg
(2)
Penambahan daya reaktif tersebut dibatasi pada nilai faktor daya maksimal 100% dan tidak merubah keadaan leading atau lagging sistem sehingga tidak merusak beban terpasang.
Active Power
Reactive Power Apparent Power
Gambar 2.1. Hubungan Daya Pada Rangkaian AC
2 1 P1 = P2 P (Watt) Q (VAR) Q2 Q1 S2 (VA) S1 (VA)
Gambar 2.2. Diagram Fasor Daya
Gambar 1 menunjukan, bahwa daya total adalah vektor penjumlahan antara daya aktif dan daya reaktif, sedangkan pada gambar 2, adalah gambar perbaikan faktor daya dengan kompensator daya reaktif (kapasitor) yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya beban adalah sebagai berikut:
Daya reaktif pada p.f awal
Q1 = P1 x tan
1 (3)Daya reaktif pada p.f yang diperbaiki
Q2 = P2 x tan
2; (4)dimana P2 = P1 = konstan
Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah,
Daya reaktif (
Q
) = Q1 – Q2 (5) Atau,Daya reaktif (
Q
) = P x (tan
1 - tan
2) (6) 2.2. HarmonisaHarmonik adalah gangguan yang terjadi dalam sistem distribusi tenaga listrik yang disebabkan adanya distorsi gelombang arus dan tegangan. Distorsi gelombang arus dan tegangan ini disebabkan adanya pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya.
Gelombang non sinusoidal dapat terbentuk dengan menjumlahkan gelombang – gelombang sinusoidal, seperti terlihat pada Gambar 3
Istilah harmonik sering dipakai untuk menjelaskan penyimpangan gelombang sinusoidal yang berhubungan dengan arus dan tegangan dari amplitudo dan frekuensi yang berbeda. Dalam sistem tenaga listrik, definisi harmonik dapat dijelaskan sebagai komponen sinusoidal dari gelombang periodik yang mempunyai frekuensi kelipatan bilangan bulat (integer) dari frekuensi dasar. Frekuensi dasar dari gelombang tersebut dinamakan frekuensi fundamental dan gelombangnya dinamakan komponen fundamental. Untuk sistem tenaga dengan frekuensi dasar f0, frekuensi dari harmonik orde ke-n adalah n f0. Frekuensi harmonik yang bukan merupakan kelipatan bulat (integer) dari frekuensi dasar disebut interharmonik. Bagian dari interharmonik biasa disebut dengan sub-harmonik. Sub-harmonik memiliki nilai frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi dasar.
Total Harmonic Distortion (THD) merupakan
parameter harmonisa yang didefinisikan sebagai persentase total komponen harmonisa terhadap komponen fundamentalnya (komponen dapat berupa tegangan atau arus) Secara umum digunakan indeks harmonisa yaitu :
1 2 2 1 2 2 I I THD atau V V THD h h I h h V
(8)Gambar 2.3.(a) Gelombang Fundamental
Gambar 2.3.(b) Gelombang Harmonik Ketiga
Gambar 2.3.(c) Gelombang Hasil Penjumlahan.
Evaluasi hasil pengukuran harmonisa dilakukan berdasarkan Standard IEEE sebagai berikut :
Tabel 2.1. Standar 519 (1992) untuk THD voltage dan IHD voltage IEEE
Bus Voltage at PCC IHDv (%) THDv(%)
69 kV and below 3.0 5.0
69.001 kV through 161 kV 1.5 2.5
161 kV and above 1.0 1.5
IHDv = Individual Harmonic voltage Distortion THDv = Total Harmonic voltage Distortion
Tabel 2.2. Standar 519 (1992) untuk THD current
Isc / IL h<11 11h<17 17h<23 23h<35 35h THD (%) <20 4 2 1,5 0,6 0,3 5 20 => 50 7 3,5 2,5 1 0,5 8 50 => 100 10 4,5 4 1,5 0,7 12 100 => 1000 12 5,5 5 2 1 15 > 1000 15 7 6 2,5 1,4 20 2.3. Tegangan Kedip
Voltage sags/dips dapat menjadi suatu permasalahan
yang penting dalam berlangsungnya proses produksi pada suatu industri.
Gambar 2.4. Kedip Tegangan
Menurut standar IEEE 1159-1995, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, definisi sag/kedip adalah penurunan nilai rms
tegangan atau arus pada frekuensi daya selama durasi waktu dari 0,5 cycles (0,01detik) sampai 1 menit. Dan rentang perubahan dari 0,1 sampai 0,9 pu pada harga rms besaran tegangan atau arus. Hal ini menyebabkan lepasnya (trip) peralatan-peralatan yang peka terhadap perubahan tegangan. Gambar 2.4 menunjukkan fenomena kedip tegangan secara grafik.
Tabel 2.3 Kategori Kedip Tegangan
Categories Typical Duration Typical Voltage Magnitude Short Duration Variations Intantaneous Sag 0.5 - 30 cycles 0.1 - 0.9 pu Swell 0.5 - 30 cycles 1.1 - 1.8 pu Momentary Sag 30 cycles – 3 s 0.1 – 0.9 pu Swell 30 cycles – 3 s 1.1 – 1.4 pu Interruption 0.5 cycles – 3 s < 0.1 pu Temporary Sag 3 s – 1 min 0.1 – 0.9 pu Swell 3 s – 1 min 1.1 – 1.2 pu Interruption 3 s – 1 min < 0.1 pu
Tabel 2.3 menunjukkan durasi dan magnitude tentang kedip tegangan sesuai dengan standar IEEE 1159, dikategorikan menjadi tiga yaitu instantaneous, momentary, dan temporary..
T
egangankedip
dapat disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut, diantaranya:1. Secara umum disebabkan oleh gangguan pada sistem, seperti gangguan hubung singkat. Gangguan yang sering terjadi pada sistem adalah gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah.
2. Pemikulan beban yang besar atau pengasutan motor berkapasitas besar.
3. Sesuatu yang terjadi pada saluran penyaluran daya, seperti kecelakaan saat perbaikan dalam keadaan bertegangan, sambaran petir (lightning strike) dan benda jatuh yang menyebabkan gangguan ke tanah.
4. Perubahan beban yang berlebihan/di luar batas kemampuan sistem daya
Perubahan beban besar secara mendadak atau pengasutan motor (motor starting) juga dapat menyebabkan dip tegangan.
Starting motor induksi dapat dihubungkan secara
langsung (d.o.l.). Ketika motor dengan kapasitas yang sangat besar di-start dengan direct-on-line, tegangan sistem akan terganggu (terjadi voltage dip pada jaringan suplai) karena adanya arus starting yang besar. Gangguan tegangan ini dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan elektronis yang lain yang terhubung dengan sumber.
Motor listrik AC (sangkar tupai dan sinkron), menarik arus start tegangan penuh sebesar 5 – 10 kali arus nominal beban penuh agar dapat memperoleh torsi starting / peng- asutan cukup untuk mulai berputar. Adanya arus start besar yang secara tiba-tiba ditarik dari sistem tenaga listrik dapat menyebabkan kedip tegangan sesaat. Akibat yang merugikan karena terjadinya kedip tegangan antara lain : 1. Torsi transien shaft pada motor, yang dapat
menyebabkan stress yang berlebihan pada sistem mekanik.
2. Drop tegangan yang berlebihan, yang dapat menghambat akselerasi motor dari kondisi diam ke kecepatan penuhnya.
3. Mal-fungsi dari kinerja peralatan-peralatan lain, seperti : rele, kontaktor, peralatan elektronik, komputer (media penyimpan data), dan terjadinya flicker pada penerangan yang dapat mengganggu.
3. ANALISIS DAN PEMBAHASAN
Simulasi dan analisis sistem kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV yang berkaitan dengan permasalahan faktor daya, peredaman harmonisa dan juga evaluasi tegangan kedip pada saat starting motor akan dilakukan dengan menggunakan
software Electrical Transient Analyzer Program (ETAP)
7.0.0.
3.1. Simulasi Faktor Daya Sistem Kelistrikan Kondisi Eksisting
Simulasi sistem kelistrikan eksisting dilakukan dengan kondisi pembebanan penuh yang bertujuan untuk mendapatkan nilai tegangan dan power factor pada tiap-tiap bus.
Berikut ini adalah tabel hasil simulasi load flow pada kondisi eksisting dengan rincian konsumsi daya pada bus – bus utama.
Table 3.1. Hasil Simulasi Load Flow Pabrik Semen Tuban IV
NAMA BUS KV MW MVAR MVA PF(%)
MAIN BUS 2 149.9 40.143 50.535 64.539 62.2 814.MV11 19.906 39.563 43.425 58.612 67.5 SUBXII-824-MV121 19.88 3.439 2.841 4.461 77.1 SUBXIII-824-MV131 19.829 22.305 25.389 33.795 66 SUBXIII-824-MV141 19.877 13.75 15.359 20.615 66.7 SUBIV-824-MV142 5.994 13.657 14.247 19.735 69.2 SUBXIII-824-MV132 5.86 22.07 22.769 31.71 69.6 SUBXII-824-MV122 6.224 1.243 0.54 1.355 91.7 ER23A-C834-MV23A1 19.763 2.184 2.433 3.269 66.8 ER23A-C834-MV23A2 6.300 1.356 1.752 3.131 69.3 ER23-C834-MV23B 6.221 0.282 0.365 0.690 70.7 ER23C-C834-MV23C 6.209 0.753 0.058 0.755 99.7 ER24-834-MV241 6.300 9.073 10.470 15.003 66.6 ER25-C834-MV251 5.858 7.382 7.094 7.094 72.1 ER25-C834-MV252 6.300 1.766 2.194 4.002 68.9 ER26-834-MV261 5.856 1.481 1.231 1.926 76.9 ER27-C834-MV271 6.300 3.875 4.187 9.154 67.9 ER27-C834-MV272 6.300 3.875 4.187 9.553 68.6 ER28-C834-MV281 5.988 0.873 0.555 1.034 84.4
Hasil simulasi Load Flow sistem kelistrikan Pabrik SemenTuban IV menunjukkan nilai faktor daya yang rendah 62,2% di Main Bus 150 kV. Begitu juga dengan nilai tegangan pada bus – bus tersebut jika diperhatikan tegangannya lebih rendah dari batas tegangan yang diijinkan (95%-105%). Beberapa bus yang nilai tegangannya rendah yaitu substation SUB-XIII-C824-MV132 yang menyuplai ER25, ER26 dan ER29. Tegangan pada bus - bus tersebut adalah : SUB-XIII-C824-MV132 : 92,93% ER25-C834-MV252 : 92,88% ER25-C834-MV251 : 92,85% ER26-C834-MV261 : 92,83% ER29-C834-MV291 : 92,89%
Untuk memperbaiki kualitas daya tersebut diatas, digunakan kapasitor bank yang dipasang pada bus 6.3 kV (ER) agar diperoleh Power Factor di Main Bus menjadi 85% sehingga tidak dikenakan denda oleh PLN. Bus – bus yang ditambahkan kapasitor adalah sebagai berikut :
Bus ER23-C834-MV23A2 : 1500 kVar Bus ER24-C834-MV241 : 6000 kVar Bus ER25-C834-MV251 : 3000 kVar Bus ER25-C834-MV252 : 3000 kVar
Bus ER26-C834-MV261 : 4500 kVar Bus ER27-B834-MV272 : 4500 kVar
Data hasil simulasi perbaikan faktor daya pada bus-bus utama ditunjukkan pada Tabel 3.2 dibawah ini.
Tabel 3.2. Hasil Simulasi Perbaikan Faktor Daya
NAMA BUS KV MW MVAR MVA PF(%)
MAIN BUS 2 150 39.674 23.961 46.348 85.6 814.MV11 20.028 39.372 19.843 44.09 89.3 SUBXII-824-MV121 20.018 3.428 1.256 3.651 93.9 SUBXIII-824-MV131 19.987 22.188 8.2 23.655 93.8 SUBXIII-824-MV141 20.005 13.724 10.794 17.46 78.6 SUBIV-824-MV142 6.109 13.663 9.999 16.931 80.7 SUBXIII-824-MV132 6.16 22.078 8.864 23.791 92.8 SUBXII-824-MV122 6.267 1.245 0.542 1.358 91.7 ER23A-C834-MV23A1 19.947 2.175 0.86 2.339 93 ER23A-C834-MV23A2 6.300 1.356 1.752 3.130 69.3 ER23-C834-MV23B 6.300 0.282 0.365 0.691 70.1 ER23C-C834-MV23C 6.253 0.059 0.755 0.757 99.7 ER24-834-MV241 6.300 9.073 10.470 15.000 66.6 ER25-C834-MV251 6.156 7.441 6.925 10.165 73.2 ER25-C834-MV252 6.300 1.479 4.305 4.552 68.9 ER26-834-MV261 6.162 1.704 5.799 6.044 32.5 ER27-C834-MV271 6.300 3.875 4.187 10.012 67.9 ER27-C834-MV272 6.300 3.875 4.187 8.977 68.6 ER28-C834-MV281 6.109 0.875 0.556 1.037 84.4
Setelah melakukan perbaikan faktor daya pada sistem kelistrikan eksisting menjadi 85.6%, maka dilakukan simulasi load flow dengan penambahan kapasitor bank guna menaikkan faktor daya menjadi 92% sehingga sistem tersebut dapat optimal. Untuk memperbaiki kualitas daya tersebut diatas, pemasangan kapasitor bank mengacu pada sitem kelistrikan Pabrik Tuban IV existing yaitu dipasang pada :
Bus ER23-C834-MV23B : 1500 kVar Bus ER23A-C834-MV23A2 : 1500 kVar Bus ER24-C834-MV241 : 6000 kVar Bus ER25-C834-MV251 : 3000 kVar Bus ER25-C834-MV252 : 3000 kVar Bus ER26-C834-MV261 : 4500 kVar Bus ER27-C834-MV271 : 6000 kVar Bus ER27-B834-MV272 : 4500 kVar
Tabel 3.3. Hasil Simulasi Peningkatan Faktor Daya Pabrik Tuban IV
NAMA BUS KV MW MVAR MVA PF(%)
MAIN BUS 2 150 41.951 17.871 45.599 92 814.MV11 19.988 41.615 14.403 44.037 94.5 SUBXII-824-MV121 19.977 3.432 0.961 3.564 96.3 SUBXIII-824-MV131 19.941 24.442 9.889 26.367 92.7 SUBXIII-824-MV141 19.971 13.707 4.602 14.459 94.8 SUBIV-824-MV142 6.201 13.653 4.087 14.252 95.8 SUBXIII-824-MV132 6.118 24.305 9.452 26.078 93.2 SUBXII-824-MV122 6.344 1.25 1.036 1.623 77 ER23A-C834-MV23A1 19.905 2.175 0.866 2.341 92.9 ER23A-C834-MV23A2 6.300 1.356 1.752 1.597 69.3 ER23-C834-MV23B 6.300 0.282 0.365 1.634 30.6 ER23C-C834-MV23C 6.323 0.758 0.059 0.76 99.7 ER24-834-MV241 6.300 9.073 10.470 15.000 66.6 ER25-C834-MV251 6.116 8.153 6.928 10.699 76.2 ER25-C834-MV252 6.300 1.766 2.194 4.002 68.9 ER26-834-MV261 6.117 3.716 4.241 5.639 65.9 ER27-C834-MV271 6.300 3.875 4.187 9.548 68.7 ER27-C834-MV272 6.300 3.875 4.187 9.151 67.9 ER28-C834-MV281 6.197 0.878 0.556 1.039 84.5
Hasil simulasi pada tabel 3.3 menunjukkan bahwa selain peningkatan faktor daya menjadi 92% di Main Bus, nilai tegangan bus yang menyuplai substation SUB-XIII-C824-MV132 mengalami kenaikan tegangan sehingga bus – bus yang berada dibawahnya juga mengalami kenaikan tegangan sehingga mencapai batas yang diijinkan(95%-105%).
3.2 Simulasi Harmonisa Kondisi Eksisting
Berikut adalah data harmonisa sebelum dipasang filter harmonik.
Table 3.4. Profil THD Tegangan dan THD Arus Pada Pabrik Tuban IV
Nama Bus THDi THDv
Standar IEEE THDi THDv Main Bus 1.13 1.00 5 5 814.MV11 1.62 3.65 5 5 SUB-XII-C824-MV121 1.80 3.77 5 5 SUB-XII-C824-MV122 1.62 3.42 12 5 SUB-XIII-C824-MV131 1.65 3.69 5 5 SUB-XIII-C824-MV132 2.44 4.44 5 5 SUB-XIII-C824-MV141 1.41 3.66 5 5 SUB-XIV-C824-MV142 1.59 4.77 5 5 ER23A-C834-MV23A1 1.33 3.97 5 5 ER23A-C834-MV23A2 1.59 2.54 8 5 ER23B-C834-MV23B 1.51 3.42 15 5 ER23C-C834-MV23C 2.09 3.38 12 5 ER24-C834-MV241 2.09 4.29 8 5 ER25-C834-MV251 7.89 4.48 8 5 ER25-C834-MV252 2.15 4.44 12 5 ER26-C834-MV261 2.48 4.45 15 5 ER27-B834-MV272 1.82 4.82 8 5 ER27-C834-MV271 1.69 4.79 8 5 ER28-C834-MV281 2.31 4.77 15 5
Dari data diatas nilai THD arus dan THD tegangan masih dibawah standar IEEE 519. Untuk menganalisa besar distorsi arus pada tiap bus terlebih dahulu kita menentukan besar ISC / IL pada bus – bus utama.
Perhitungan ISC / IL pada bus ER24-C834-MV241 :
ISC = 29236 A ; IL = 1493.2 A
=
. = 19.58 ( <20 termasuk THD 5)
Perhitungan ISC / IL pada bus ER25-C834-MV251:
ISC = 35139 A ; IL = 1009.4 A
=
. = 34.81 ( >20=>50 termasuk THD 8)
Dengan cara tersebut maka hasil yang diperoleh mendekati hasil pengukuran yang telah dilakukan. Berikut adalah plot magnitude dan plot spectrum pada bus yang nilai harmonisa tertinggi dilakukan sebelum pemasangan filter harmonik.
Gambar 3.1. Spektrum Tegangan Fungsi Orde Harmonisa Perubahan Pada Bus ER25-C834-MV251
Gamba3.2. Plot Impedansi Fungsi Frekuensi Harmonisa Perubahan Pada Bus ER25-C834-MV251
3.3. Simulasi Harmonisa dengan Kompensator Daya Reaktif
Secara umum usaha peningkatan power factor dilakukan dengan pemasangan kompensator daya reaktif berupa kapasitor bank. Perlunya dilakukan simulasi harmonisa dengan penambahan kompensator daya reaktif (kapasitor), yaitu bertujuan untuk memperkirakan nilai THD tegangan dan THD arus pada tiap – tiap bus akibat pemasangan kapasitor bank. Hasil simulasi (bus-bus utama) dapat dilihat pada tabel 5.
Table 3.5. Profil THD Tegangan dan THD Arus setelah pemasangan kompensator daya reaktif pada Sistem Kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV
Nama Bus
Sebelum Kapasitor Dengan Kapasitor
THDi THDv THDi THDv Main Bus 1.13 1.00 1.17 0.94 814.MV11 1.62 3.65 6.44 0.26 SUB-XII-C824-MV121 1.80 3.77 5.90 0.96 SUB-XII-C824-MV122 1.62 3.42 7.76 1.62 SUB-XIII-C824-MV131 1.65 3.69 6.44 0.90 SUB-XIII-C824-MV132 2.44 4.44 6.44 2.32 SUB-XIII-C824-MV141 1.41 3.66 13.05 0.98 SUB-XIV-C824-MV142 1.59 4.77 13.01 3.94 ER23A-C834-MV23A1 1.33 3.97 3.62 1.02 ER23A-C834-MV23A2 1.59 2.54 3.5 1.81 ER23B-C834-MV23B 1.51 3.42 1.41 1.64 ER23C-C834-MV23C 2.09 3.38 1.54 1.62 ER24-C834-MV241 2.09 4.29 3.28 2.46 ER25-C834-MV251 7.89 4.48 3.65 2.35 ER25-C834-MV252 2.15 4.44 3.50 2.35 ER26-C834-MV261 2.48 4.45 12.59 2.43 ER27-B834-MV272 1.82 4.82 12.10 4.03 ER27-C834-MV271 1.69 4.79 16.13 3.98 ER28-C834-MV281 2.31 4.77 2.97 3.94
Hasil simulasi harmonisa dengan penambahan kapasitor diatas, terjadi kenaikan nilai THD arus yang cukup besar. Pada main bus kenaikan nilai THD tegangan dari 1,13 menjadi 1,17 atau dalam persentase kenaikan ini sebesar 4%. Sebaliknya untuk nilai THD tegangan nilainya mengalami penurunan. Penurunan nilai THD tegangan cukup tinggi berkisar antara 6% sampai dengan 281%, sedangkan untuk THD arus kenaikan berkisar 4% sampai dengan 658%. Berikut ini plot magnitude dan plot spectrum pada bus dengan pemasangan kompensator daya reaktif.
Gambar 3.3. Spektrum Tegangan Fungsi Orde Harmonisa Perubahan ER26-C834-MV261
Gambar 3.4. Plot Impedansi Fungsi Frekuensi Harmonisa Perubahan Pada ER26-C834-MV261
3.4. Simulasi Harmonisa dengan Filter Harmonisa Untuk mengurangi kenaikan harmonisa akibat pemasangan kapasitor bank dan untuk menaikkan kualitas daya, lebih baik kapasitor dipasang sebagai filter harmonisa. Selain berfungsi untuk peredam harmonisa, filter harmonisa juga dapat dipergunakan untuk meningkatkan kualitas daya listrik. Berikut ini data harmonisa setelah pemasangan filter harmonisa.
Table 3.6. Profil THD Tegangan dan THD Arus dengan Filter Harmonisa
Nama Bus Tanpa Kapasitor Dengan Filter Harmonisa THDi THDv THDi THDv Main Bus 1.13 1.00 0.33 0.14 814.MV11 1.62 3.65 0.35 0.53 SUB-XII-C824-MV121 1.80 3.77 0.70 0.56 SUB-XII-C824-MV122 1.62 3.42 0.90 0.27 SUB-XIII-C824-MV131 1.65 3.69 0.44 0.54 SUB-XIII-C824-MV132 2.44 4.44 0.44 0.62 SUB-XIII-C824-MV141 1.41 3.66 0.90 0.53 SUB-XIV-C824-MV142 1.59 4.77 0.90 0.71 ER23A-C834-MV23A1 1.33 3.97 0.57 0.61 ER23A-C834-MV23A2 1.59 2.54 0.57 0.22 ER23B-C834-MV23B 1.51 3.42 0.21 0.27 ER23C-C834-MV23C 2.09 3.38 0.82 0.21 ER24-C834-MV241 2.09 4.29 3.29 0.47 ER25-C834-MV251 7.89 4.48 3.66 0.67 ER25-C834-MV252 2.15 4.44 2.33 0.64 ER26-C834-MV261 2.48 4.45 0.36 0.59 ER27-B834-MV272 1.82 4.82 1.97 0.75 ER27-C834-MV271 1.69 4.79 2.44 0.71 ER28-C834-MV281 2.31 4.77 0.34 0.71
Perbandingan nilai THD current sebelum dan sesudah pemasangan kapasitor serta setelah pemasangan filter harmonisa dapat dilihat pada Gambar 4.16.
Gambar 3.5. Perbandingan Nilai THD Current
Gambar 3.6. Perbandingan Nilai THD Voltage
3.5. Analisis Tegangan Kedip Yang Disebabkan Starting Motor
Untuk mengetahui pengaruh yang terjadi akibat motor starting terhadap turunnya tegangan sesaat, dalam hal ini disebut voltage sag atau tegangan kedip pada sistem tenaga listrik PT SEMEN GRESIK Tbk. Pabrik Tuban IV dilakukan dengan cara mensimulasikan proses starting motor induksi berkapasitas besar. Asumsi motor induksi berkapasitas besar dalam tugas akhir ini adalah motor induksi dengan kapasitas diatas 1000 kW.
Meskipun terdapat banyak motor berkapasitas besar tetapi dalam sub bab ini hanya akan mengambil 3 lokasi motor yang berbeda. Pemilihan lokasi motor dilakukan berdasarkan data hasil pengukuran yaitu bus ER24-C834-MV241, Motor RAWMILL-ID_FAN dan ROOLER_MILL. Bus ER27-C834-MV271 Motor CEMENTMILL-TB. Starting dilakukan secara bergantian dimulai dari motor dengan kapaasitas paling kecil (ROOLER_MILL 5350 KW).
3.5.1. Simulasi Starting Motor ROOLER_MILL
Pada simulasi ini, listrik disuplai dari PLN sebesar 41,724 MVA (39,845 kW). Metode pengasutan yang dilakukan adalah direct on line. Pengasutan motor induksi dilakukan dengan menghubungkan tegangan secara langsung.
Tabel 3.7 Voltage Sag Saat Motor ROOLER_MILLStart
BUS Kondisi starting Sebelum (kV) Selama Sesudah (kV) (kV) Drop (%)
Main Bus Tuban 2 150 143.25 4.5 148,5
814.MV11 19.90 17.711 11 19.30
SUB-XIII-C824-MV132 5.859 4.336 26 5.544
ER24-C834-MV241 5.796 4.173 28 5.512
ER26-C834-MV261 5.859 4.336 26 5.544
3.5.2. Simulasi Starting Motor CEMENTMILL-TB Simulasi menggunakan metode pengasutan direct on
line, dengan suplai listrik dari PLN. Motor yang akan distart
adalah CEMENTMILL-TB pada bus ER27-C834-MV271. Hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 3.8.
Tabel 3.8 Voltage Sag Saat Motor CEMENTMILL-TB Start BUS Kondisi starting Sebelum (kV) Selama Sesudah (kV) (kV) Drop (%) Main Bus 150 143.25 4.5 149,25 814.MV11 19.90 17.512 12 19.30 SUB-XIII-C824-MV141 19.84 16.825 15,2 19.10 SUB-XIV-C824-MV142 6.016 4.6 27 431.55 ER27-C834-MV271 6.048 4.6 27 5.73 ER27-B834-MV272 6.016 4.85 23 5.76
3.5.3. Simulasi Starting Motor RAWMILL-ID_FAN Starting motor RAWMILL-ID_FAN pada bus ER24-C834-MV241dilakukan dengan metode direct on line.
Tabel 3.9 Voltage Sag Saat Motor RAWMILL-ID_FAN Start BUS Kondisi starting Sebelum (kV) Selama Sesudah (kV) (kV) Drop (%)
Main Bus Tuban 2 150 148.87 7.5 147.75
814.MV11 20 14.8 26 19.2 SUB-XIII-C824-MV132 5.922 3.654 42 5.544 ER24-C834-MV241 5.922 3.528 44 5.418 ER26-C834-MV261 5.922 3.654 42 5.481
4. PENUTUP
4.1. KesimpulanBerdasarkan hasil yang didapatkan dari simulasi dan analisis pada tugas akhir ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Pemasangan kompensasi daya reaktif digunakan untuk mengamati perbaikan faktor daya dan perbaikan tegangan pada bus sehingga digunakan sebagai acuan untuk menentukan besarnya daya reaktif pada perancangan filter pasif nantinya. Dengan pemasangan kapasitor dapat menimbulkan permasalahan baru yaitu meningkatnya harmonisa ke 5 dan 7 akibat adanya fenomena resonansi parallel. Dengan naiknya karakteristik impedansi maka apabila terdapat arus yang kecil, harmonisa tegangan akan menjadi tinggi sehingga dapat menyebabkan overvoltage.
2. Pada sistem kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV, terjadi peningkatan nilai faktor daya dari 62,2% pada kondisi eksisting menjadi 92% (setelah dipasang filter pasif). Selain itu terjadi kenaikan tegangan pada seluruh bus beban hingga di atas 95% tegangan nominal.
3. THD tegangan pada bus – bus utama adalah kurang dari 5% sehingga nilai THD tersebut masih di bawah standard. Sedangkan nilai %THD arus yang terbesar berada pada ER27-B834-MV272 dan ER27-C834-MV271. Pada sistem kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV dari simulasi harmonisa dapat diketahui dengan menggunakan filter harmonisa telah menurunkan THD arus dan THD tegangan sehingga besarnya THD tersebut masih dibawah standar (berdasarkan IEEE Std. 519-1992).
4. Pada sistem kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV digunakan filter Single Tuned dan filter High Pass, dimana filter Single Tuned digunakan untuk meredam harmonik orde 5 dan 7 yang merupakan orde harmonik yang dominan. Sedangkan untuk orde 11 dan seterusnya digunakan filter High Pass orde 11.
5. Besarnya kedip tegangan maksimal terdapat pada tempat motor melakukan starting. Kemudian besar gangguan terus mengecil seiring dengan semakin jauhnya sumber
motor starting dari bus – bus tersebut.
4.2. Saran
1. Salah satu usaha untuk optimalisasi konsumsi daya adalah dengan kompensasi daya reaktif bila tidak terdapat harmonik pada sistem kelistrikannya.
2. Pemasangan kapasitor bank secara individual cukup berbahaya pada sistem yang terdapat sumber harmonisa. Hal ini memungkinkan terjadinya fenomena resonansi. Oleh karena itu, kapasitor bank perlu direkonfigurasi menjadi filter pasif untuk mencegah timbulnya fenomena resonansi dan sebagai filter harmonisa.
3. Kedip tegangan dapat diminimalisir dengan menambah kapasitas suplai daya dari pembangkit dan mengurangi arus pengasutan dengan cara menggunakan metode pengasutan.
5. DAFTAR PUSTAKA
[1]. R. H. Miller, J.H Malinowski, “Power System
Operation”, New York : McGraw-Hill Inc, 1994.
[2]. J. Arrillaga, D. A. Bradley, P. S. Bodger, “Power
System Harmonics”, John Wiley & Sons, 1985.
[3]. Gary W. Chang, Paulo F. Ribeiro, “Harmonics
Theory”,http://www.powerit.vt.edu/AA/chapters/CHA
P_2/c2toc/c2_frame.htm, 2006.
[4]. IEEE Std. 1531-2003 - Guide for Application and
Specification of Harmonic Filters.
[5]. IEEE Std. 519-1992 - Recommended Practices and
Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems.
[6]. Saudin, Norshafinash. 2007. “Voltage Sags Mitigation
Techniques Analysis”, http://eprints.utm
[7]. Zuhal, “Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika
Daya”, Jakarta : PT.Gramedia Pustaka Utama. 1995
RIWAYAT HIDUP
Arrifat Lubis lahir di kota Padang, 17 Maret 1988. Anak kedua dari pasangan Harmond Lubis dan Eva Gusti. Mendapatkan pendidikan di TK Baiturrahmah Padang, kemudian melanjutkan ke SDN 001 Pekanbaru, kemudian melanjutkan pendidikannya ke SMP Negeri 1 Pekanbaru. Pendidikan SMA ditempuh pada tahun 2003-2006 di SMA Negeri 1 Pekanbaru. Setelah lulus melanjutkan pendidikannya di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jurusan Teknik Elektro Bidang Studi Teknik Sistem Tenag. Penulis aktif dalam organisasi mahasiswa, pada tahun 2007 – 2008 sebagai Staf Sie Eksternal Departemen Humas Himatektro ITS. Bendahara FKHMEI Regional X Surabaya periode 2007/2008 dan Staf Departemen Hubungan Luar Badan Eksekutif Mahasiswa (BEM ITS) peride 2008/2009. Saat ini penulis aktif sebagai Asisten Laboratorium Tegangan Tinggi di Jurusan Teknik Elektro FTI ITS.
