Perbaikan Drop Tegangan & Rugi-Rugi Daya
Penyulang SUTM Panjang dengan Pembangkitan Terdistribusi,
Kapasitor Shunt dan Uprating Konduktor
Ade Rahmat
PT PLN (Persero) Wilayah Suluttenggo Manado, Indonesia
e-mail : ade.rahmat@pln.co.id
Muchtar Djafar
PT PLN (Persero) Wilayah Suluttenggo Manado, Indonesia
e-mail : muchtar.djafar@pln.co.id
Abstrak—. Makalah ini mengangkat studi perbaikan kualitas tegangan dan rugi-rugi daya pada penyulang sistem distribusi PLN Area Kotamobagu yang melistriki daerah Kabupaten Bolaang Mongondow, Sulawesi Utara. Penyulang OK-4 bersifat radial murni yang terbentang sepanjang 127,01 kms. Profil Tegangan menengah pada daerah-daerah yang dilalui tersebut dapat menurun hingga lebih buruk 80% dari tegangan nominal pada perioda beban puncak, dan akan menaik mendekati tegangan normal pada perioda di luar waktu beban puncak. Adapun alternatif solusi yang ditawarkan untuk mengatasi permasalahan diatas dapat dilakukan dengan melakukan Injeksi Pembangkit terdistribusi dengan memanfaatkan potensi pembangkit terbarukan setempat. Selain itu sebagai perbandingan dilakukan juga simulasi unjuk kerja tegangan dengan menggunakan Kapasitor Shunt atau Uprating penampang konduktor.
Kata kunci-Pembangkitan Terdistribusi; Drop Tegangan; Rugi-rugi daya; SUTM Panjang
Abstract— This paper raised the voltage quality improvement studies and losses in the feeder distribution systems that provide electricity Bolaang Mongondow Area, North Sulawesi. Feeder OK-4 is a pure radial stretching 127.01 kms. Medium voltage profile on the areas through which it can be dropped to worse 80% of the nominal voltage at peak load periods, and will be ascending closer to the normal voltage on the outside of the time period of peak load. There are alternative solutions offered to overcome the above problems can be done by injection plant distributed by exploiting the potential of local renewable generation. In addition, as a comparison done also simulated the performance of voltage by using a shunt capacitor or Uprating conductor cross-section.
Keywords- Distributed Generation;Voltage Drop; Losses; Radial feeder lenght
I. PENDAHULUAN
Dalam rangka meningkatkan rasio elektrifikasi, PLN melaksanakan elektrifikasi daerah terpencil dan jauh dengan memperpanjang Saluran udara Tegangan Menengah(SUTM), karena membangun transmisi tegangan tinggi ataupun pembangkit belum layak secara ekonomi.
Untuk menjangkau daerah-daerah yang terpencil dan jauh dari gardu induk atau pembangkit dalam rangka melistriki pedesaan terutama di luar Jawa, PT PLN (Persero) terkadang terpaksa harus memperpanjang jaringan tegangan menengah 20 kV untuk menyuplai daerah-daerah tersebut. Hal ini tentu saja berdampak pada persoalaan drop tegangan dan
losses yang mengakibatkan rendahnya mutu pelayanan
terhadap konsumen terutama di daerah ujung penyulang dan kerugian yang ditimbulkan akibat losses penyulang.
Sistem distribusi PLN Area Kotamobagu yang melayani wilayah Kabupaten Bolaang Mongondow, Sulawesi Utara terdiri dari beberapa penyulang SUTM panjang salah satunya Penyualang OK4 disuplai dari PLTD Kotamobagu yang terinterkoneksi dengan grid sistem Minahasa
membentang sampai dengan desa Mamalia di Kabupaten Bolaang Mongondow Selatan dengan panjang jaringan sekitar 127,01 kms, sehingga tegangan di ujung penyulang mengalami drop tegangan dan rugi-rugi daya yang besar.
Sepanjang daerah yang dialui penyulang tersebut dijumpai beberapa aliran sungai seperti di desa Milangodaa & Duminanga yang berpotensi sebagai energi Mikrohidro yang dapat dijadikan Pembangkitan Terdistribusi (DG).
II. PERMASALAHAN
Penggunaan SUTM panjang berakibat tegangan pasokan transformator distribusi pada saat beban puncak menjadi terlalu rendah karena jatuh tegangan yang sangat tinggi sepanjang saluran. Tegangan pasokan transformator yang rendah akan mengakibatkan tegangan keluaran di sisi sekunder juga rendah. Kondisi saluran yang panjang ini tidak sesuai dengan SPLN 72:1987 tentang Spesifikasi desain untuk
Jaringan Tegangan Menengah [JTM] dan Jaringan Tegangan Rendah [JTR].
Sedangkan tegangan pelayanan yang diterima pelanggan seharusnya mempunyai kualitas tegangan yang baik, yaitu +5% dan -10% dari tegangan nominal 230/400 V, sebagaimana diatur oleh SPLN 1: 1995 atau SNI 04-227:2003 tentang tegangan standar.
III. PRAANGGAPAN
Alternatif perbaikan drop tegangan di ujung penyulang yang sangat besar dan losses SUTM panjang dapat dilakukan dengan Melalui :
A. Pembangkitan Terdistribusi(Distributed Generation)
Tegangan di ujung suatu SUTM panjang yang buruk pada saat beban puncak dapat diperbaiki dengan sangat efektif dengan menginjeksikan daya reaktif dari sebuah generator lokal (DG) yang sengaja dipasang dengan memanfaatkan potensi sumber energi lokal setempat.
B. Kompensasi Kapasitor shunt
Pemasangan kapasitor shunt pada SUTM panjang untuk mengkompensasi rugi-rugi daya reaktif yang terjadi sepanjang saluran dan menyebabkan jatuh tegangan. Rugi-rugi daya reaktif tersebut adalah terbesar pada saat beban puncak dan terkecil pada saat beban terendah. Hal itulah yang menyebabkan mengapa tegangan beban adalah terendah pada beban puncak dan tertinggi pada beban terendah, pemasangan kapasitor shunt diharapkan mampu mengatasi permasalahan jatuh tegangan yang terjadi.
C. Uprating Penampang Konduktor
Jatuh tegangan pada SUTM yang panjang dapat dikurangi dengan mengganti konduktor terpasang dengan konduktor yang berpenampang lebih besar terutama pada konduktor
bottle neck dibeberapa segmen jaringan. Penggantian
Penghantar juga dapat dijadikan solusi untuk mengatasi permasalahan ini.
IV. DASARTEORI
Pada jaringan tegangan menengah yang bebannya terpusat diujung jaringan atau biasa disebut ekspress feeder, besar tegangan jatuh (voltage drop) pada jaringan SUTM dapat dihitung dari rumus pendekatan berikut :
Gambar 2. One line diagram dan ilustrasi diagram phasor drop tegangan sistem distribusi
dimana P and Q adalah daya aktif dan reaktif.
Pada penyulang dengan beberapa titik beban, drop tegangan pada segmen k dapat dinyatakan dalam persaman berikut :
Gambar 3. One line diagram penyulang dengan beberapa node beban
Dimana Pk aliran daya aktif dan Qk aliran daya reaktif pada segmen k :
Dengan Rk dan Xk adalah resistansi dan reaktansi pada segmen k. Sedangkan Uk adalah tegangan pada titik k. Kuat Arus dalam persamaan diatas diperoleh dari :
A. Pembangkitan Terdistribusi
Pada jaringan SUTM yang dinjeksi dengan pembangkit maka persamaan drop tegangan menjadi :
Gambar 2. One line diagram untu ilustrasi drop tegangan sistem distribusi dengan DG
B. Kompensasi Kapasitor Shunt
Pada penyulang yang dipasang kapasitor shunt persamaan tegangan drop menjadi :
Gambar 3. Ilustrasi profil tegangan dengan pemasangan kapsitor
Selain jatuh tegangan pada penyulang, rugi-rugi daya juga dihitung yang terjadi pada transformator distribusi yang disebabkan oleh reaktansi bocor dan resistans belitan pada kondisi beban sekunder, dan dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut : % 100 : ] ) . ( ) . [(R p 2 X q 2 12 U = + D
dimana : X - reaktansi bocor [%] R - resistans belitan [%] p - faktor daya, cos φ [0 .. 1,0] q - sin φ [0.. 1,0]
ΔU- Jatuh tegangan [%]
V. PEMBAHASAN
Berdasarkan kondisi eksisiting yang ada, panjang Penyulang OK 4 yang membentang dari Pusat listrik (PLTD Kotamobagu) sampai dengan ujung penyulang di desa Mamalia Ranting Molibagu adalah 127,013 kms (only
mainline without lateral), dengan kapasitas trafo distribusi
terpasang sebesar 6.020 kVA dan kondisi beban pada saat beban puncak berdasarkan pengukuran sebesar 3.233 kVA.
Dalam menganailsa aliran daya (power flow), menggunakan simulasi ETAP v.4. Berdasarkan karakteristik sistem bersifat radial dan cukup panjang, maka metode aliran daya yang digunakan menggunakan Fast-Decoupled Method.
Gambar 4. bus beban Penyulang OK 4
Analisa untuk percabangan (lateral) penyulang di representasikan menjadi satu bus dan beban tiap gardu pada mainline diwakili oleh masing-masing bus. Berdasarkan data yang ada, maka untuk penyulang OK 4 diperoleh 93 bus beban (lampiran Tabel 2). Gambar diatas merupakan representasi beban penyulang sistem penyulang OK 4 yang disederhanakan untuk mempermudah analisa.
Gambar 5. Simulasi Penambahan DG dan atau Kapasitor pada program ETAP
Gambar 6. Hasil running tegangan drop pada program ETAP
A. Pemasangan Distributed Generation Pada Bus 71 (rencana PLTM Duminanga).
Sebagaimana diketahui bersama, perkembangan sistem tenaga listrik ke depan mengalami perubahan dari sistem vertikal (vertically operated power system), yang mana jaringan disuplai oleh pembangkit skala besar/pembangkitan terpusat (Centralized Generation) menjadi sistem horizontal
(horizontally-operated power system) pembangkitan tersebar (Distributed Generation), yang mana pembangkit skala kecil
yang memanfaatkan potensi energi terbarukan seperti mikrohidro, surya, angin,biomassa dan lainya terhubung ke sistem jaringan distribusi 20 kV (distribution grid).
B. Pemasangan Kapasitor Shunt pada Bus 66 (di PMT Dudepo).
Penggunaan kapasitor daya bermanfaat untuk :
1. Pengurangan susut yang dapat dihindari yang disebabkan oleh arus beban reaktif.
2. Menurunkan kebutuhan kVA 3. Memperbaiki profil tegangan
4. Menaikan revenue atau menurunkan konsumsi energi pelanggan.
Persamaan jatuh tegangan (voltage drop) pemasangan Kapasitor :
dimana Qc, daya reaktif yang dinjeksikan oleh kapasitor dalam Mvar dalam simulasi digunakan kapasitas Qc = 2 MVAR.
Dengan menggunakan kaidah Kaidah dua-pertiga Fisher Pierce : memberikan penurunan demand dan susut yang optimum :
1. Ukuran bank kapasitor harus 2/3 beban kVAr maksimum.
2. Ukuran bank kapasitor harus terletak 2/3 panjang penyulang dari GI.
3. Kontrol harus disetel dekat bank kapasitor pada saluran ketika arus saluran mengikuti mencapai 2/3 arus kapasitor
C. Penggantiang Penghantar dengan Penampang A3C 150 mm2
Resistansi suatu konduktor berbanding lurus dengan panjang penghantar dan berbanding terbalik dengan penampang, sehingga semakin besar penampang maka semakin kecil resisansinya. Berdasarkan persamaan
R=ρ x (l/A), dimana l = panjang penghantar
A= luas penampang Penghantar ρ = tahanan jenis
Tabel 1. Resistansi Konduktor AAAC
Luas penampang Jumlah / diameter kawat Resista ns as., 20o C max Reaktansi jaringan dg GMD 101 cm KHA terus-menerus Nomi nal Sebenar nya mm2 mm2 n / mm Ohm / km Ohm / km A 35 34,36 7 / 2,5 0,958 0,3716 170 50 49,48 7 / 3,0 0,665 0,3602 210 50 45,70 19 / 1,75 0,724 0,3592 210 70 75,55 19 / 2,25 0,438 0,3434 155 95 93,27 19 / 2.5 0.355 0.3368 320 120 112,85 19 / 2,75 0,293 0,3308 365 150 147,1 37 / 2,25 0,225 0,3214 425 185 181,6 37 / 2,5 0,183 0,3148 490 240 242,5 61 / 2,25 0,139 0,3053 585 300 299,4 61 / 2,5 0,111 0,2987 670 400 431,1 61 / 3,0 0,077 0,2872 810 500 506,0 61 / 3,25 0,066 0,2822 930
D. Perbandingan Perbaikan Tegangan dgn Kapasitor Shunt, DG & Uprating
Berdasarkan hasil simulasi dengan ETAP (lampiran Tabel 3) untuk kondisi Eksisting diperoleh hasil tegangan terendah dicapai oleh Bus 93 (ujung Penyulang) yakni sebesar 11,789 kV (terjadi pada Gardu Mayambanga) :
Gambar 7. Grafik Profil Tegangan eksisting, DG, Capasitor shunt dan Uprating Konduktor
Gambar 8 Grafik Profil Tegangan eksisting, DG, Capasitor shunt dan Uprating Konduktor
Pada skenario pemasangan kapasitor shunt sebesar 2 MVAR di bus 66 maka diperoleh tegangan terendah terjadi pada bus 93 (ujung penyulang) sebesar 15,59 kV.
Pada kasus pemasangan distributed generation sebesar 2x800 kW di bus 71 maka diperoleh tegangan terendah terjadi pada bus 44 (pertengahan penyulang) sebesar 17,79 kV
Pada skenario penggantian uprating penampang konduktor yang masih berpenampang 70 mm2 dan 95 mm2 menjadi 150 mm2 diperoleh tegangan terendah pada bus 93 (ujung penyulang) sebesar 13,42 kV.
Dari beberapa alternatif yang ada maka diperoleh perbaikan profil tegangan penyulang OK 4 yang paling optimal adalah dengan injeksi Pembangkit terdistribusi (DG).
KESIMPULAN
1. Berdasarkan hasil simulasi dengan ETAP untuk kondisi Eksisting diperoleh hasil tegangan terendah dicapai oleh Bus 93 (ujung Penyulang) yakni sebesar 11,789 kV (terjadi pada Gardu Mayambanga).
2. Setelah dilakukan simulsi skenario alternatif yang maka di peroleh hasil perbaikan profil tegangan pada masing-masing bus beban. Pada kasus pemasangan kapasitor shunt sebesar 2 MVAR di bus 66 maka diperoleh tegangan terendah pada bus 93 (ujung penyulang) sebesar 15,59 kV.
3. Pada kasus pemasangan distributed generation sebesar 2x 800 kw di bus 71 maka diperoleh tegangan terendah terjadi pada bus 44 (pertengahan penyulang) sebesar 17,79 kV.
4. Pada kasus penggantian uprating penampang konduktor yang masih berpenampang 70 mm2 dan 95 mm2 menjadi 150 mm2 diperoleh tegangan terendah pada bus 93 (ujung penyulang) sebesar 13,42 kV.
5. Dari beberapa alternatif yang ada maka diperoleh perbaikan profil tegangan penyulang OK 4 yang paling optimal adalah dengan pemasangan distributed
generation
SARAN
Dalam makalah ini penulis mengharapkan potensi energi terbarukan setempat berupa energi mikrohidro dapat diwujudkan melalui pembangkit PLTMH, selain bermanfaat untuk perbaikan profil tegangan dan menekan rugi rugi pada jaringan sistem distribusi juga dapat mengurangi biaya operasional PLN akibat konsumsi pemakaian BBM bangkit berbahan bakar fosil yang eksisting.
Berdasarkan Feasibility Studi yang telah dilakukan potensi mikrohidro setempat diperkirakan kurang lebih 3 MW.
Perlu dilakukan studi lanjut terhadap dampak pengoperasian pembangkit terdistribusi setempat dari aspek operasi dan kehandalan sistem distribusi.
REFERENSI
[1] F.A. Viawan and A. Sannino, ”Voltage Control in LV Feeder with Distributed Generation and Its Impact to the Losses”, in Proceedings of 2005 Power Tech Conference, St. Petersburg.
[2] F.A. Viawan, A. Sannino and J. Daalder, “Voltage Control in MV Feeder in Presence of Distributed Generation”, accepted for publication in Electric Power
[3] N. Jenkins, R. Allan, P. Crossley, D. Kirschen, G. Strbac, Embedded [4] Generation, The Institution of Electrical Engineers, London, 2000 [5] SPLN D5.001:2007 Tentang Pedoman Pengaturan SUTM Panjang [6] T.A. Short, Electric Power Distribution Handbook, CRC Press LLC,
2004.Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 3rd ed., vol. 2. Oxford: Clarendon, 1892, pp.68–73.
[7] T. Gönen, Electric Power Distribution System, McGraw-Hill Book Company,1986.
[8] T. Ackermann, G. Andersson and L. Söder, “Distributed Generation: a definition”, Electric Power Systems Research, vol.57, 2001, pp. 195-204.
Ade Rahmat, Lahir di Bekasi 27 Desember 1981. Pendidikan S1 Teknik
Elektro Universitas Diponegoro Semarang tahun 2004. Bergabung dengan PLN tahun 2005 dengan Riwayat penugasan antara lain: Operasi Distribusi, Perencanaan Distribusi, Transaksi Energi Listrik & Pelayanan Pelanggan.
Muchtar Djafar, Pendidikan D3 Universitas Samratulangi. Saat ini bertugas
Lampiran (Tabel 3. Profil Tegangan Hasil Simulasi ETAP)
Dari Ke eksisting with DG with Capasitor fix with uprating
0 1 19,672 19,845 19,778 19,962 1 2 19,258 19,650 19,501 19,303 2 3 18,955 19,508 19,298 19,019 3 4 18,830 19,449 19,215 18,902 4 5 18,820 19,445 19,208 18,893 5 6 18,489 19,290 18,977 18,582 6 7 18,339 19,221 18,878 18,441 7 8 18,311 19,208 18,860 18,415 8 9 18,195 19,154 18,780 18,320 9 10 17,964 19,050 18,630 18,104 10 11 17,339 18,796 18,264 17,576 11 12 17,228 18,719 18,153 17,415 12 13 17,127 18,674 18,088 17,321 13 14 16,910 18,578 17,950 17,118 14 15 16,907 18,576 17,948 17,115 15 16 16,778 18,521 17,867 16,995 16 17 16,714 18,493 17,826 16,934 17 18 16,500 18,402 17,693 16,735 18 19 16,494 18,400 17,690 16,730 19 20 16,189 18,272 17,500 16,445 21 22 16,016 18,201 17,396 16,283 22 23 15,963 18,179 17,364 16,234 23 24 15,913 18,159 17,334 16,188 24 25 15,854 18,135 17,298 16,188 25 26 15,844 18,131 17,292 16,133 26 27 15,638 18,048 17,168 16,124 27 28 15,449 17,973 17,056 15,930 28 29 15,395 17,952 17,025 15,755 29 30 15,385 17,950 17,019 15,706 30 31 15,312 17,931 16,984 15,696 31 32 15,309 17,931 16,982 15,630 32 33 15,228 17,912 16,939 15,627 33 34 15,130 17,892 16,888 15,562 34 35 15,039 17,873 16,841 15,418 35 36 14,945 17,854 16,792 15,345 36 37 14,902 17,848 16,772 15,313 37 38 14,818 17,837 16,732 15,249 38 39 14,753 17,829 16,701 15,199 39 40 14,664 17,818 16,655 15,145 40 41 14,533 17,804 16,586 15,066 41 42 14,430 17,794 16,534 15,003 42 43 14,345 17,787 16,491 14,925 43 44 14,288 17,786 16,464 14,918 44 45 14,217 17,787 16,431 14,875 45 46 14,109 17,790 16,383 14,810 46 47 14,083 17,791 16,371 14,794 47 48 14,056 17,792 16,360 14,779 48 49 13,977 17,797 16,326 14,731 49 50 13,836 17,809 16,268 14,647 Voltage (kV) Rel
Dari Ke eksisting with DG with Capasitor fix with uprating
50 51 13,770 17,816 16,241 14,608 51 52 13,759 17,817 16,237 14,601 52 53 13,732 17,821 16,230 14,580 53 54 13,724 17,824 16,228 14,575 54 55 13,709 17,830 16,227 14,563 55 56 13,639 17,861 16,230 14,502 56 57 13,610 17,875 16,228 14,480 57 58 13,415 17,974 16,220 14,333 58 59 13,166 18,098 16,177 14,190 59 60 13,091 18,135 16,165 14,147 60 61 13,018 18,173 16,154 14,105 61 62 12,995 18,187 16,151 14,092 62 63 12,974 18,202 16,150 14,080 63 64 12,972 18,204 16,150 14,079 64 65 12,903 18,270 16,156 14,039 65 66 12,666 18,495 16,178 13,906 66 67 12,608 18,551 16,185 13,873 67 68 12,572 18,586 16,160 13,853 68 69 12,499 18,662 16,107 13,811 69 70 12,474 18,690 16,089 13,797 70 71 12,418 18,753 16,048 13,766 71 72 12,318 18,878 15,976 13,709 72 73 12,278 18,854 15,946 13,687 73 74 12,228 18,825 15,911 13,659 74 75 12,175 18,794 15,873 13,629 75 76 12,125 18,764 15,836 13,601 76 77 12,091 18,744 15,811 13,581 77 78 12,046 18,711 15,779 13,556 78 79 12,027 18,706 15,765 13,546 79 80 11,993 18,678 15,741 13,527 80 81 11,960 18,667 15,717 13,508 81 82 11,939 18,655 15,702 13,496 82 83 11,907 18,635 15,679 13,478 83 84 11,884 18,622 15,662 13,465 84 85 11,865 18,811 15,649 13,455 85 86 11,851 18,603 15,639 13,447 86 87 11,843 18,598 15,633 13,442 87 88 11,828 18,589 15,622 13,434 88 89 11,814 18,581 15,612 13,426 89 90 11,800 18,572 15,602 13,421 90 91 11,796 18,570 15,599 13,419 91 92 11,791 18,567 15,595 13,417 92 93 11,790 18,566 15,594 13,416 93 94 11,789 18,566 15,594 13,416 Voltage (kV) Rel
