SKRIPSI
PERBANDINGAN MITIGASI KEDIP TEGANGAN PADA JARINGAN DISTRIBUSI DENGAN MENGGUNAKAN STATIC VAR
COMPENSATOR DAN STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan dalam Menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh:
VIKING MARPAUNG NIM: 140402045
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2020
ABSTRAK
Kualitas penyaluran daya listrik dari pusat pembangkit hingga sampai ke beban dirancang agar memiliki nilai yang tinggi. Tingkat kualitas tersebut dapat dipengaruhi oleh munculnya gangguan. Salah satu contoh dari gangguan tersebut adalah Voltage Sag atau kedip tegangan. Kedip tegangan mampu memicu terjadinya kesalahan fungsi dari peralatan listrik. Kedip tegangan dapat dimitigasi dengan menghilangkan faktor penyebab dan dapat diatasi dengan memberikan kompensasi daya reaktif. Kompensasi daya reaktif yang dilakukan adalah dengan pemasangan Static Var Compensator (SVC) dan Static Synchronous Compensator (STATCOM) pada jaringan distribusi. Metode yang diterapkan adalah dengan pemasangan dua buah alat kompensator secara bergantian, yakni SVC dan STATCOM pada Node 671 jaringan distribusi IEEE 13 Node Test Feeder. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa pemasangan STATCOM mampu bekerja lebih baik dalam memitigasi kedip tegangan yang terjadi. Pada saat pemasangan SVC, terjadi mitigasi kedip tegangan tertinggi sebesar 4,08 % di Node 671 dan 692 sedangkan mitigasi terendah sebesar 0,01 % pada Node 634. Pemasangan STATCOM menghasilkan mitigasi kedip tegangan tertinggi sebesar 11,24 % di Node 646 dan mitigasi terendah pada Node 650 sebesar 4,40 %.
Kata kunci: SVC, STATCOM, Kedip Tegangan
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya Tugas Akhir ini dapat disusun dan diselesaikan. Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara.
Adapun judul TugasAkhir ini adalah:
“PERBANDINGAN MITIGASI KEDIP TEGANGAN PADA JARINGAN DISTRIBUSI DENGAN MENGGUNAKAN STATIC VAR
COMPENSATOR DAN STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR”
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu Ayah tercinta (Almarhum Pardamean Marpaung) beserta Ibu tersayang (Risma Butar-butar) yang selalu menjadi motivasi penulis, saudara laki-laki (Christ Marpaung, Bonar Marpaung, Sabar Marpaung, Sakti Marpaung, Vindo Marpaung), dan saudara perempuan (Magda Marpaung, Indah Marpaung, Uli Marpaung, Yanni Marpaung, Meilyn Marpaung, Guslyn Marpaung, Unitio Marpaung dan Shinta Marpaung). Mereka adalah bagian dari penulis yang selalu memberi semangat dan doa selama masa studi hingga menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Selama masa perkuliahan hingga penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis jugabanyak mendapatkan dukungan maupun bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam kepada:
1. Bapak Ir. Surya Hardi, M.Sc., Ph.D., selaku Dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan pikiran untuk selalu memberikan bantuan, saran, bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selamaperkuliahan hingga penyusunan Tugas Akhir ini. Terima kasihatas keramahan dan kepedulian Bapak selama ini kepada penulis. Sehat selalu dan terus berkarya buat Bapak. Penulis percaya bahwa kesuksesan penulis di masa yang akan datang adalah bagian dari keberhasilan Bapakjuga.
2. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, M.T., selaku Dosen penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan saran danmasukan demi perbaikan Tugas Akhir ini serta senantiasa memberikanbimbingan selama perkuliahan.
3. Bapak Ferry Rahmat A. Bukit, S.T., M.T., selaku Dosen penguji Tugas Akhir yangtelah banyak memberikan saran dan masukan demi perbaikan Tugas Akhirini.
4. Bapak Emerson Pascawira Sinulingga, S.T., M.Sc., Ph.D., selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah banyak meluangkan waktu memberi saran kepada penulis selamaperkuliahan.
5. Seluruh Bapak dan Ibu dosen yang telah mendidik serta memberikan semangat dan pengetahuan yang berharga selama masa perkuliahan kepada penulis.
6. Bapakuda tercinta, Romulo Marpaung dan Inanguda yang menjadi orang tua kedua, selalu ada mendukung penulis melewati proses perkuliahan hingga sampaimenyelesaikan Tugas Akhir ini. Terima kasih atas motivasi serta bantuan kepada penulis pada saat masa sulit untuk bertahan hidup selama menjalani perkuliahan.
7. Kepada Tanoto Foundation yang telah memberikan banyak bantuan beasiswa dan program pengembangan potensi diri kepada penulis.
8. Kepada PT. Riau Andalan Pulp & Paper terkhusus Divisi Power Supply Distribution yang telah memberikan banyak pengetahuan dan kesempatan selama 2,5 bulan kepada penulis untuk mengenal dunia kerja.
9. Bapak Ir. Agus Petrus Simorangkir yang telah banyak berbagi pengalaman dan cerita serta memberikan kesempatan kepada penulis untuk mengembangkan potensi diri melalui pasu.id.
10. Abang dan Kakak senior serta Alumni yang telah berbagi saran dan pengalaman. Secara khusus Bang Sardion Pakpahan (TE 94), Rianto Pakpahan (TE 09), Fontes Marpaung (TE 10), Hugo (TE 10), Dedy Sitindaon (TE 11), James Napitupulu (TE 11), Riko Pasaribu (TE 11), Risjen Sianturi (TE 11), Youki Hutauruk (TE 11), Yosua Napitupulu (TE 11), Santo Siringo-ringo (TE 12), Alex Sinaga (TE 13), Hardi Sipayung (TE 13), Yohanes Simorangkir (TE 13), Winny Maisyarah (TE 13), Angelina Sinaga (TE 13), Yehezkiel Tampubolon (TE 13), Tulus Sidabutar (TI 12) dan lainnya yang tidak bisa penulis sebutkan satu- persatu.
11. Teman-teman seperjuangan Abed si rektor UHP dan dewa AonCash yang masih bertahan, si Tampan Aldiansyah, bray Albert Metho, lae spontan Adrianus, Adi mantan Udayana. Andre juru kunci fakultas, Andrea Simon penerus Ivan, Bernard lae tampan dan cool, Budi lae kandung dari Sumbul, Dani lae Siantar duluan tamat. Dicky anak kalem, Eva bendahara natal, Fajar Mirza teman seperguruan, Fernando Helvetia, Furqon ketua IMTE, Henry teman Aigest, Indra PJ dekor dan Ivan PJ Drama. James si Bob partner hunter natal, Josi saudara Bang Epan, Josil bes Kelfin dan Loren, Kelfin Belawan teman Merlyn, Laurencius satu kelompok TIL lae donatur, Mikalsen asisten Abed, Monika BV natal, Merlyn donatur anak Pak Tar, Munayudi asisten AST dan Ocky selaku teman bertukar gagasan.
Samuel aslab T3, Satria parende nautuson, Sawibu ketua Natal, Selamat lae kandung yang hilang, Teguh anak tentara, Raih Cibat dari Sibolga, Ray
datang ke kampus jangan di rumah terus. Ricandra toke jeruk, Robert teman Yoshepine, Rosa donatur, Stevenson sian Narumonda, Widodo wakil Humas, Yohanes tahan banting, teman satu bimbingan, Yosua BJ driver terbaik kota Medan serta teman-teman satu angkatan lainnya yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberikan semangat, motivasi, cerita, canda dan ilmu selama penulis menjalani perkuliahan di Departemen TeknikElektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
12. Kru MTMA yang belum pernah berangkat, Abed Nego selaku teman yang telah banyak memberi informasi pembentukan tubuh six pack. Tergabung dalam peluncuran truk Fuso bertemu bibit-bibit unggul yang memunculkan motivasi untuk sukses dan berhasil. Jimmy Hartanto lae kandung dari Siantar yang selalu menjadi donatur utama dan memiliki rasa iba serta empati tinggi. Teman penulis dalam berbagi suka duka selama perkuliahan dan Robbyo Pakpahan selaku penatua yang memiliki keunggulan dua budaya. Tinggal memilih yang menguntungkan. Teman penulis yang peduli dan menjadi penolong disaat susah sekaligus teman doa ke Velangkani. Selalu mendoakan dan mendukung penulis saat suka dan duka hingga proses penyusunan TugasAkhir ini selesai.
13. Sahabat-sahabat Metho prof Firman, Yolan, Joysun, Renhart, Rudi, Alan, Rio, Iwan, Hilda, Rivola, Asido, Muliadi, Tuppak, Tornado dan Jhon artis BK selaku teman driver pencari rupiah di kota Medan.
14. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan adanya kritik dan saran dari pembaca yang dapat membuat Tugas Akhir ini lebih baik lagi. Semoga Tugas Akhir ini dapat berguna dan bermanfaat bagi pembaca.
Medan, Januari 2020 Penulis,
Viking Marpaung NIM: 140402045
DAFTAR ISI
HALAMAN
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Batasan Masalah ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik ... 5
2.2 Kualitas Daya ... 6
2.3 Kedip Tegangan ... 10
2.3.1 Mekanisme Terjadinya Kedip Tegangan... ... 10
2.3.2 Standar dan Karakteristik Kedip Tegangan... ... 11
2.3.3 Pengaruh Kedip Tegangan Terhadap Beban Sensitif ... 13
2.3.4 Penyebab Kedip Tegangan... ... 14
2.3.5 Besaran Kedip Tegangan ... 15
2.4 Gangguan Saluran Udara Tegangan Menengah ... 17
2.4.1 Gangguan Hubung Singkat ... 17
2.4.2 Perhitungan Hubung Singkat ... 18
2.5 Kompensator Kedip Tegangan ... 21
2.5.1 SVC ... 23
2.5.1.1 Prinsip Kerja dan Komponen SVC ... 25
2.5.2 STATCOM ... 28
2.5.2.1 Prinsip Kerja dan Komponen STATCOM ... 30
2.6 Alternative Transients Program ... 31
2.6.1 Komponen ATP Draw ... 32
BAB III METODE PENELITIAN... 35
3.1 Tempat Penelitian ... 35
3.2 Data-data yang Diperlukan ... 35
3.3 Pelaksanaan Penelititan ... 35
3.4 Variabel yang Diamati ... 35
3.5 Prosedur Penelitian ... 36
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 41
4.1 Simulasi Aliran Daya Sebelum Pemasangan SVC dan STATCOM ... 41
4.2 Simulasi Kedip Tegangan Sebelum Pemasangan SVC dan STATCOM . 43 4.3 Simulasi Kedip Tegangan Setelah Pemasangan SVC ... 47
4.4 Simulasi Kedip Tegangan Setelah Pemasangan STATCOM ... 49
4.5 Perbandingan Hasil Mitigasi Kedip Tegangan Setelah Pemasangan SVC dan STATCOM ... 52
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 55
5.1 Kesimpulan ... 55
5.2 Saran ... 55
DAFTAR PUSTAKA ... 56 LAMPIRAN ... 58
DAFTAR GAMBAR
HALAMAN
Gambar 2.1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik ... 5
Gambar 2.2 Kurva CBEMA ... 8
Gambar 2.3 Kurva ITIC ... 8
Gambar 2.4 Kurva SEMI F47 ... 9
Gambar 2.5 Mekanisme Terjadinya Kedip Tegangan ... 10
Gambar 2.6 Bentuk Gelombang Kedip Tegangan ... 11
Gambar 2.7 Kurva Tingkat Kepekaan Peralatan Terhadap Kedip Tegangan ... 14
Gambar 2.8 Konfigurasi Pembagi Tegangan ... 15
Gambar 2.9 Gangguan pada Jaringan Radial ... 18
Gambar 2.10 Hubung Singkat Tiga Fasa ... 19
Gambar 2.11 Hubung Singkat Fasa ke Fasa ... 20
Gambar 2.12 Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah ... 21
Gambar 2.13 Kompensator Kedip Tegangan ... 22
Gambar 2.14 Diagram Skematik SVC ... 23
Gambar 2.15 Karakteristik V-I dari SVC ... 24
Gambar 2.16 Blok Diagram Prinsip Kerja SVC ... 26
Gambar 2.17 Komponen SVC ... 27
Gambar 2.18 Diagram Skematik STATCOM ... 28
Gambar 2.19 Karaktersitik V-I STATCOM ... 29
Gambar 2.20 Prinsip Kerja STATCOM... 30
Gambar 2.21 Komponen STATCOM ... 31
Gambar 2.22 Tampilan Jendela Awal Program ATP Draw ... 32
Gambar 2.23 Komponen Program ATP Draw ... 33
Gambar 2.24 Komponen Standar Program ATP Draw ... 34
Gambar 3.1 Flowchart Penelitian ... 36
Gambar 3.2 Diagram Satu Garis Sistem Distribusi IEEE 13 Node Test Feeder 37 Gambar 4.1 Pemodelan Sistem pada Program ATP Draw ... 41
Gambar 4.2 Gelombang Hubung Singkat 1 Fasa ke Tanah ... 43
Gambar 4.3 Gelombang Fasa A di Node 650 ... 45
Gambar 4.4 Gelombang Fasa A di Node 671 ... 46
Gambar 4.5 Gelombang Fasa A di Node 692 ... 46
Gambar 4.6 Pemodelan SVC ... 47
Gambar 4.7 Pemodelan STATCOM ... 50
Gambar 4.8 Perbandingan Mitigasi Kedip Tegangan ... 53
DAFTAR TABEL
HALAMAN
Tabel 2.1 Karakteristik Fenomena Gangguan Tegangan ... 6
Tabel 2.2 Durasi Kedip Tegangan dan Persentasi Tegangan Nominal Peralatan . 9 Tabel 2.3 Perbedaan SVC dan STATCOM ... 23
Tabel 3.1 Data Transformator ... 38
Tabel 3.2 Data Spot Loads ... 38
Tabel 3.3 Data Distributed Loads ... 38
Tabel 3.4 Data Kapasitor Bank ... 39
Tabel 3.5 Data Penghantar ... 39
Tabel 4.1 Aliran Daya Sebelum Pemasangan SVC dan STATCOM ... 42
Tabel 4.2 Kedip Tegangan Sebelum Kompensator... 44
Tabel 4.3 Aliran Daya Setelah Pemasangan SVC ... 48
Tabel 4.4 Kedip Tegangan Setelah Pemasangan SVC... 49
Tabel 4.5 Aliran Daya Setelah Pemasangan STATCOM ... 50
Tabel 4.6 Kedip Tegangan Setelah Pemasangan STATCOM ... 51
Tabel 4.7 Perbandingan Mitigasi Kedip Tegangan ... 52
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Salah satu masalah umum dalam sistem kelistrikan adalah terbatasnya daya reaktif yang dapat menyebabkan ketidakstabilan tegangan. Salah satu contoh masalah tersebut adalah voltage sag atau kedip tegangan. Berdasarkan standar IEEE 1159-1995, voltage sag adalah penurunan nilai tegangan efektif antara 10%
hingga 90% dari tegangan nominal dengan rentang waktu 0.5 cycle hingga kurang dari satu menit [1]. Voltage sag dapat disebabkan oleh gangguan di sistem, starting motor besar, perubahan beban yang besar secara mendadak dan energizing transformator. Voltage sag memiliki dua karakteristik utama, yaitu kedalaman dan durasi [2]. Kedalaman atau magnitude diartikan sebagai punurunan dari nilai tegangan selama terjadinya kedipan dan tidak dapat dikendalikan. Sedangkan durasi adalah total waktu yang dibutuhkan ketika kedip tegangan muncul sampai menghilang.
Penelitian sebelumnya dilakukan oleh Dung Vo Tien [2], melakukan penelitian tentang analisa dan simulasi penyebab dari kedip tegangan.
Berdasarkan penelitian tersebut ditunjukkan, besarnya kedip tegangan akan dipengaruhi oleh faktor penyebab seperti gangguan hubung singkat. Kemudian, Zhijun Wang [3], dalam sistem yang terdiri dari 3 buah motor induksi, 1 buah transformator, dan 1 buah sumber tegangan yang dihubungkan oleh saluran distribusi menunjukkan adanya interaksi motor-motor induksi setelah terjadi kedip tegangan.
Kedip tegangan dapat menyebabkan terjadinya stalling (penghentian putaran rotor) pada motor listrik, trip pada beban-beban sensitif, dan penurunan akurasi peralatan kendali pada saat beroperasi [2]. Untuk mengatasi kedip tegangan, diperlukan peningkatkan kemampuan pengendalian daya reaktif melalui peralatan Flexible AC Transmission System (FACTS) seperti Static VAR Compensator (SVC) dan Static Synchronous Compensator (STATCOM). SVC pertama kali dipasang pada tahun 1970-an di Gardu Induk Shannon, Minnesota Power and Light System dengan rating 40 MVAR. Sejak saat itu, penggunaan SVC mengalami perkembangan pesat dalam aplikasi sistem tenaga. Selanjutnya pada tahun 1990-an muncul peralatan generasi berikutnya yaitu STATCOM [4].
Setelah pemasangan SVC dan STATCOM pada sistem jaringan distribusi, diharapkan dapat membantu penyedia tenaga listrik meningkatkan kualitas penyaluran daya dan keandalan sistem.
Pada penelitian ini dilakukan simulasi untuk membandingkan pengaruh pemasangan SVC dan STATCOM pada jaringan distribusi untuk mengurangi kedip tegangan. Simulasi ini akan menggunakan software ATP Draw 6.3.
Parameter yang diamati pada penelitian ini ialah profil tegangan pada setiap Node yang disebabkan oleh gangguan satu fasa ke tanah dengan durasi gangguan dalam rentang 0,5 cycle sampai dengan satu menit.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun yang menjadi rumusan masalah dalam skripsi ini adalah:
1. Bagaimana pengaruh gangguan hubung singkat terhadap kedip tegangan pada jaringan distribusi?
2. Bagaimana pengaruh pemasangan SVC dan STATCOM terhadap mitigasi magnitude kedip tegangan pada jaringan distribusi?
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun yang menjadi tujuan dalam penulisan tugas akhir ini adalah:
1. Menyelidiki pengaruh pemasangan SVC dan STATCOM terhadap mitigasi magnitude kedip tegangan pada jaringan distribusi.
2. Membandingkan besarnya mitigasi magnitude kedip tegangan yang dihasilkan oleh pemasangan SVC dan STATCOM pada jaringan distribusi.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat praktis, dapat memilih kompensator yang lebih baik untuk mengurangi kedip tegangan dalam meningkatkan kualitas serta keandalan sistem distribusi yang sedang beroperasi.
1.5 Batasan Masalah
Untuk membatasi materi yang akan dibahas, maka ditentukan batasan masalah yang akan diteliti. Adapun batasan permasalahan tersebut adalah:
1. Analisis dan simulasi kedip tegangan dilakukan dengan bantuan software ATP Draw versi 6.3.
2. Data parameter beban dan studi kasus diambil dari standar IEEE 13 Node Test Feeder.
3. Simulasi kedip tegangan yang akan dilakukan terbatas hanya pada jaringan distribusi primer.
4. Tidak membahas metode optimasi peletakan kompensator.
5. Analisa pemasangan kompensator hanya fokus kepada perubahan profil tegangan saja.
6. Jenis gangguan yang digunakan dalam simulasi adalah gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah dengan durasi gangguan dalam rentang 0,5 cycle sampai dengan satu menit.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik
Sistem tenaga listrik di Indonesia secara umum dibagi menjadi tiga bagian besar, yaitu sistem pembangkit, sistem transmisi, dan sistem distribusi. Sistem pembangkit adalah sistem yang berfungsi untuk menghasilkan energi listrik dan pada umumnya membangkitkan tegangan dengan nilai yang umumnya rendah (6 kV sampai dengan 24 kV). Sistem transmisi berfungsi untuk menyalurkan energi listrik bertegangan tinggi dari sistem pembangkit sampai ke sistem distribusi.
Sebelum tegangan sampai di transmisi maka terlebih dahulu tegangan harus dinaikkan menjadi 150 kV sampai dengan 500 kV. Kenaikan nilai tegangan ini bertujuan untuk mengurangi rugi-rugi akibat jatuh tegangan dan menghemat biaya dengan memperkecil ukuran kawat penghantar. Sedangkan sistem distribusi adalah sistem yang berhubungan langsung dengan pusat beban seperti pada Gambar 2.1.
1 2 4
3 Sistem
Pembangkit
4 5
KETERANGAN: 6 1 : Generator 2 : Trafo Step Up 3 : Saluran Transmisi 4 : Trafo Step Down
5 : Jaringan Tegangan Menengah 6 : Jaringan Tegangan Rendah 7 : Instalasi Rumah
: Pemutus Tenaga
Sistem Transmisi
Sistem Distribusi
7
Gambar 2.1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik
Pada sistem distribusi, nilai tegangan yang semula 150 kV sampai dengan 500 kV diturunkan menjadi 20 kV. Ketika sudah diturunkan menjadi 20 kV maka dapat langsung dipakai oleh pengguna tegangan menengah ataupun diturunkan kembali ke level tegangan yang lebih rendah (380/220 V) sesuai dengan kebutuhan. Berdasarkan susunan konfigurasinya, sistem distribusi dikelompokkan menjadi dua model dasar, yaitu Jaringan Radial dan Jaringan Loop (ring) [5].
2.2 Kualitas Daya
Ada berbagai jenis gangguan yang berpengaruh terhadap keandalan utilitas sistem tenaga listrik, tetapi kedip tegangan adalah penyebab utama (80%) dari masalah kualitas daya. Kedip tegangan biasanya disebabkan oleh sumber gangguan, seperti beroperasinya motor-motor atau transformator, gangguan hubung singkat pada saluran akibat sambaran petir dan sebagainya. Dalam pasar global yang kompetitif saat ini, kualitas dari catu daya yang baik dan dapat diandalkan sangat penting untuk menghindari kerugian pada semua jenis industri.
Standard IEEE 519-1992 [6] dan IEEE 1159-1995 menjabarkan tingkat kesesuaian peralatan terhadap koneksi jaringan. Tabel 2.1 menunjukkan karakteristik dari fenomena gangguan pada sistem tenaga listrik.
Tabel 2.1 Karakteristik Fenomena Gangguan Tegangan [7]
Jenis gangguan Besaran tegangan Durasi gangguan
Interruption 10 - 0% Steady state
Undervoltage 90 - 10% > 1 menit
Sag 90 - 10% 0,5 cycle – 1 menit
Swell >110% 0,5 cycle – 1 menit
Overvoltage >110% > 1 menit
Interruption adalah kondisi pada saat magnitude tegangan sama dengan nol. Interruption diakibatkan oleh gangguan yang muncul sehingga memicu alat proteksi untuk bekerja. Selain karena gangguan, interruption dapat disebabkan oleh kesalahan operasi alat proteksi, kerusakan konduktor dan intervensi dari operator. Adapun hal yang dapat dilakukan untuk mengatasi interruption adalah melakukan switching otomatis atau manual dan mengganti atau memperbaiki komponen yang rusak akibat gangguan. Undervoltage adalah kondisi dimana tegangan sistem bekerja dibawah dari tegangan normal.
Voltage sag adalah bagian dari undervoltage, tetapi yang membedakannya hanyalah durasi yang pendek. Undervoltage pada umumnya disebabkan oleh gangguan hubung singkat di sistem dan starting motor-motor besar. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk mengatasi fenomena undervoltage adalah menggunakan alat kompensasi daya reaktif. Sedangkan overvoltage adalah kebalikan dari undervoltage. Fenomena swell adalah bagian dari munculnya overvoltage, hanya saja durasinya lebih singkat. Overvoltage disebabkan oleh sambaran petir, switching, pelepasan beban secara mendadak, hubung singkat satu fasa ke tanah dan beban tidak linier.
Pada tahun 1970-an Assosiasi pembuat komputer (Computer Business Equipment Manufacturers Association atau CBEMA) telah mengeluarkan suatu batasan kesensitifan peralatan proses industri terhadap besar kedip tegangan dan lamanya kedip tegangan yang terjadi, dimana peralatan tetap bekerja. Kurva tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kurva CBEMA [8]
Luas daerah acceptable power adalah daerah dimana peralatan industri masih dapat mentoleransi nilai tegangan sistem yang beroperasi. Dari kurva dapat diketahui bahwa peralatan industri mampu mentoleransi kondisi overvoltage lebih lama daripada kondisi undervoltage. Untuk kondisi undervoltage, peralatan masih mampu mentoleransi perubahan tegangan secara maksimal apabila durasinya tidak lebih dari 0,5 cycle.
Pada tahun 1990-an kurva CBEMA ini disempurnakan dan digantikan oleh kurva yang dikeluarkan oleh Information Technology Industry Council (ITIC), seperti yang di tunjukkan Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Kurva ITIC [8]
Pada kurva ITIC, luas acceptable power dibuat lebih spesifik dan lebih jelas untuk menggambarkan kemampuan toleransi peralatan industri terhadap kedip tegangan. Pada kurva sebelumnya belum ditentukan secara spesifik batas perubahan tegangan yang diijinkan, tetapi pada kurva ITIC sudah ditentukan sebesar ±10% setelah 10 detik dari munculnya kedipan.
Kemudian standar ketahanan peralatan industri terhadap kedip tegangan disesuaikan lagi dan dikeluarkan dalam bentuk kurva Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI) F47 seperti pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Kurva SEMI F47 [9]
Kurva SEMI F47 pada Gambar 2.4 dapat dijelaskan lebih detail oleh Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Durasi Kedip Tegangan dan Persentasi Tegangan Nominal Peralatan[9]
DURASI KEDIP TEGANGAN KEDIP TEGANGAN
Waktu (s)
Waktu (ms)
60 Hz (cycle)
50 Hz (cycle)
Nominal tegangan peralatan (%)
< 0.05 < 50 < 3 < 2.5 Tidak terdefinisi 0.05 - 0.2 50 - 200 3 - 12 2.5 - 10 50 %
0.2 - 0.5 200 - 500 12 – 30 10 - 25 70 % 0.5 - 1.0 500 - 1000 30 – 60 25 - 50 80 %
> 1.0 > 1000 > 60 > 50 Tidak terdefinisi
Dari Tabel 2.2 dapat diketahui bahwa peralatan industri dapat mentoleransi kedip tegangan sebesar 50% sag dengan durasi waktu maksimal
sampai dengan 200 milidetik, 70% sag dengan durasi waktu maksimal 0,5 detik dan 80% sag dengan durasi waktu sampai dengan 1 detik.
2.3 Kedip Tegangan
Kedip Tegangan atau voltage sag adalah penurunan nilai root mean square (rms) tegangan nominal sistem yang terjadi secara tiba-tiba, sedangkan beban tetap terhubung ke sumber daya listrik. Kedip Tegangan dapat menyebabkan kedipan pada lampu, reboot pada perangkat komputer, terhentinya peralatan automasi dan kegagalan operasi pada peralatan listrik yang sensitif terhadap perubahan besaran yang kecil seperti rele under voltage.
2.3.1 Mekanisme Terjadinya Kedip Tegangan
Proses terjadinya kedip tegangan pada jaringan distribusi dapat diketahui melalui Gambar 2.5.
Zb Za
V Sumber
Feeder A
Feeder B Va
Vb
Ib Ia
Beban Beban
Hubung Singkat 1 fasa ke tanah (0,5 cycle – 1 menit) V Drop A = Ia x Za
V Drop B = Ib x Zb
Gambar 2.5 Mekanisme Terjadinya Kedip Tegangan
Keterangan gambar:
Ia : Arus yang mengalir pada Feeder A (Ampere) Ib : Arus yang mengalir pada Feeder B (Ampere) Za : Impedansi jaringan pada Feeder A (Ohm)
Zb : Impedansi jaringan pada Feeder B (Ohm) V Drop A : Jatuh tegangan pada Feeder A (Volt) V Drop B : Jatuh tegangan pada Feeder B (Volt)
Pada saat terjadi gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah (durasi 0,5 cycle sampai dengan satu menit) pada Feeder B maka akan mengalir arus yang sangat besar pada kawat fasa yang mengalami gangguan. Hal ini mengakibatkan terjadi kenaikan arus pada urutan kawat fasa yang sama pada Feeder A. Kenaikan arus pada salah satu kawat fasa di Feeder A mengakibatkan bertambahnya jatuh tegangan pada jaringan. Akibat kenaikan jatuh tegangan maka akan menyebabkan penurunan nilai rms tegangan nominal sistem.
2.3.2 Standar dan Karakteristik Kedip Tegangan
Berdasarkan standar IEEE 1159-1995, kedip tegangan atau voltage sag merupakan penurunan nilai rms tegangan yang bernilai antara 0,9 sampai 0,1 pu dari tegangan normal dengan durasi 0,5 cycle (10 milidetik) sampai satu menit.
Bentuk kedip tegangan seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Bentuk Gelombang Kedip Tegangan
(file Percobaan1.pl4; x-var t) v:X0015B-X0013A
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 [s] 1,1
-30 -20 -10 0 10 20 30
[kV]
Durasi Kedip Tegangan Magnitude Kedip Tegangan
Kedip tegangan dapat dikarakteristikkan dalam parameter sebagai berikut [10]:
1.
Kedalaman (magnitude) kedip tegangan2.
Ketidakseimbangan sistem tiga fasa3.
Durasi kedipan4.
Lompatan sudut fasaKedip tegangan memiliki dua karakteristik utama, yaitu kedalaman dan durasi. Kedalaman atau magnitude diartikan sebagai punurunan dari nilai tegangan selama terjadinya kedipan dan tidak dapat dikendalikan. Sedangkan durasi adalah total waktu yang dibutuhkan ketika kedipan muncul sampai menghilang. Durasi dari kedip tegangan dapat dikendalikan memakai peralatan elektronika daya yang canggih dengan penggunaan yang tepat. Alat-alat pengendali pada peralatan elektronika tersebut memerlukan informasi sudut fasa untuk dapat bekerja.
Sebagai penyedia layanan listrik terbesar di Indonesia, PT. Perusahaan Listrik Negara (PT. PLN) tidak menjamin kedalaman kedip tegangan yang terjadi, sedangkan mengenai durasi terjadinya kedip tegangan yang dijamin oleh PT. PLN disisi suplai, diatur dalam edaran direksi PLN No. 12.E/012/DIR/ 2000 tanggal 25 April 2000 [11]:
a. Sub sistem 500kV ≤ 110 milidetik b. Sub sistem 150kV ≤ 140 milidetik c. Sub sistem 70kV ≤ 170 milidetik d. Sub sistem 20kV ≤ 1000 milidetik
2.3.3 Pengaruh Kedip Tegangan Terhadap Beban Sensitif
Kesensitifan peralatan terhadap kedip tegangan sangat tergantung pada jenis beban, setting pengaturan dan aplikasi. Karakteristik kedip tegangan yang paling berpengaruh pada peralatan sensitif tersebut adalah waktu dan besar kedip tegangan, meskipun untuk beberapa peralatan, karakteristik seperti pergeseran fasa dan ketidakseimbangan juga mempengaruhi pada saat terjadinya kedip tegangan.
Secara umum kesensitifan peralatan terhadap kedip tegangan dapat dibagi menjadi tiga kategori yaitu [11]:
1. Peralatan yang sensitif hanya terhadap besaran kedip tegangan.
Peralatan yang termasuk kategori ini seperti relay undervoltage, peralatan kendali proses, pengaturan motor dan mesin-mesin otomatis.
2. Peralatan yang peka terhadap besaran dan lama kedip tegangan.
Peralatan yang termasuk pada kategori ini adalah peralatan-peralatan yang menggunakan komponen elektronika daya.
3. Peralatan yang peka terhadap karakteristik lain.
Beberapa peralatan dapat dipengaruhi oleh karakteristik kedip tegangan lainnya seperti ketidakseimbangan fasa selama terjadi kedip tegangan dan osilasi transient akibat gangguan hubung singkat tidak seimbang.
Pada kurva CBEMA dan ITIC (Gambar 2.2 dan Gambar 2.3), ditunjukkan perangkat Adjustable Speed Drive (ASD) merupakan beban yang sangat peka terhadap kedip tegangan seperti pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Kurva Tingkat Kepekaan Peralatan Terhadap Kedip Tegangan [8]
Berdasarkan kurva tingkat kepekaaan pada Gambar 2.7, dapat diketahui bahwa ASD tersebut akan trip apabila terjadi kedip tegangan dibawah 0,9 pu selama 4 siklus dan kontaktor motor akan mengalami trip apabila terjadi kedip tegangan dibawah 0,5 pu dengan durasi lebih dari 1 siklus.
2.3.4 Penyebab Kedip Tegangan
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besar kecilnya kedip tegangan yang muncul, yaitu [10]:
a. Jenis gangguan
Jenis gangguan merupakan faktor utama yang mempengaruhi karakteristik kedip tegangan. Besar gangguan dan sudut fasa tergantung pada jenis gangguan yang terjadi.
b. Lokasi terjadinya gangguan
Lokasi terjadinya gangguan mempunyai dampak yang cukup besar pada kedip tegangan. Beban sensitif pada jaringan distribusi akan dapat merasakan
gangguan yang terjadi meskipun gangguan tersebut terjadi dalam jarak yang cukup jauh pada sistem.
c. Ratio X/R pada jaringan
Dengan mengganti ratio X/R pada jaringan, maka akan mengganti ratio X/R pada sumber gangguan, karena impedansi sumber akan mempengaruhi besaran kedip tegangan. Beberapa sumber pemicu kedip tegangan adalah:
a. Gangguan hubung singkat, baik yang terjadi di instalasi ataupun yang terjadi di penyulang.
b. Surja switching akibat pengoperasian pemutus tenaga di saluran transmisi atau distribusi.
c. Perubahan beban besar secara tiba-tiba.
d. Starting motor berkapasitas besar. Ketika starting motor induksi akan menarik arus sebesar lima sampai tujuh kali arus beban penuh. Arus yang ditarik ini akan menyebabkan jatuh tegangan. Jika arus sangat besar maka kedip tegangan yang terjadi akan sangat signifikan.
e. Energizing Transformator.
2.3.5 Besaran Kedip Tegangan
Untuk menentukan besarnya kedip tegangan yang terjadi pada jaringan distribusi dapat ditunjukkan oleh sebuah jaringan pembagi tegangan sederhana seperti Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Konfigurasi Pembagi Tegangan [2]
Point Common Coupling (PCC) adalah titik dimana beban-beban dalam sebuah sistem kelistrikan terhubung atau dalam bahasa sederhana adalah titik pembagi beban. Besarnya kedip tegangan (𝑉𝑠𝑎𝑔) yang terjadi pada sistem distribusi dinyatakan sebagai persamaan berikut [7]:
𝑉𝑆𝑎𝑔 = 𝑍𝐹
𝑍𝑆+𝑍𝐹 𝐸 2.1 𝑍𝐹 adalah impedansi saluran antara PCC dan titik gangguan, 𝑍𝑆 adalah impedansi sumber, sedangkan 𝐸 adalah tegangan bus pada sumber. Besarnya magnitude kedip tegangan dapat ditentukan dari RMS tegangan seperti pada persamaan berikut :
𝑉𝑅𝑀𝑆 = √1
𝑁∑𝑁𝑖=1𝑉𝑖2 2.2
Dimana :
𝑉𝑅𝑀𝑆: magnitude kedip tegangan N : jumlah cycle
𝑉𝑖 : tegangan sampel
Dari Persamaan 2.1, dimisalkan 𝑍𝑆 = 𝑅𝑆+ 𝑗𝑋𝑆 dan 𝑍𝐹 = 𝑅𝐹+ 𝑗𝑋𝐹 dan diasumsikan bahwa E=1, maka besarnya lompatan sudut fasa pada saat terjadi kedip tegangan diberikan oleh persamaan berikut :
∆Ø = arctan𝑋𝐹
𝑅𝐹− arctan (𝑋𝑆+𝑋𝐹
𝑅𝑆+𝑅𝐹) 2.3 Dimana :
Ư : lompatan sudut fasa
2.4 Gangguan Saluran Udara Tegangan Menengah
Keandalan suatu sistem tanaga listrik ditentukan oleh kinerja dari semua komponen di jaringan distribusi pada saat penyaluran energi listrik dari sumber energi listrik sampai ke konsumen. Apabila tidak sering terjadi pemadaman kepada konsumen, maka suatu sistem tenaga listrik dapat dikatakan memiliki tingkat keandalan yang tinggi. Tetapi pada kenyatannya sangat sulit untuk menciptakan suatu sistem tenaga listrik yang benar-benar sempurna. Ada dua macam penyebab gangguan dalam proses penyaluran energi listrik, yaitu penyebab gangguan dari dalam dan dari luar sistem.
1. Penyebab gangguan dari dalam, adalah gangguan yang dihasilkan dari dalam sistem seperti:
a. Beban lebih
b. Tegangan lebih dan arus tidak normal c. Penuaan dan kerusakan peralatan
d. Pemasangan peralatan jaringan yang kurang baik 2. Penyebab gangguan dari luar bisaanya seperti:
a. Pohon tumbang atau dahan pohon menyentuh kawat fasa b. Surja petir, angin kencang, bencana alam
c. Binatang menyentuh kawat fasa
Sedangkan gangguan yang sering terjadi di saluran udara tegangan menengah seperti gangguan fasa, gangguan tanah dan gangguan konduktor putus.
2.4.1 Gangguan Hubung Singkat
Gangguan hubung singkat dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu gangguan hubung singkat simetri dan gangguan hubung singkat tak simetri
(asimetri). Kelompok gangguan hubung singkat simetri adalah gangguan hubung singkat tiga fasa, sedangkan gangguan yang lainnya merupakan gangguan hubung singkat tak simetri. Adapun contoh dari sebuah gangguan ditunjukkan seperti pada Gambar 2.9.
Sumber tegangan 20 kV
beban
beban
beban
beban gangguan
Gambar 2.9 Gangguan pada Jaringan Radial
Dari gambar diatas dapat diperoleh informasi bahwa pada saat terjadi gangguan, maka gangguan tersebut akan menyebabkan kenaikan arus secara berlebih pada kawat fasa yang terganggu dan kenaikan tegangan pada fasa yang tidak terganggu. Kenaikan arus pada kawat fasa yang terganggu terjadi akibat seluruh arus yang mengalir pada kawat akan mengalir menuju satu titik yaitu titik gangguan. Pada umumnya gangguan yang paling sering terjadi pada sistem tenaga listrik adalah gangguan tidak simetri.
2.4.2 Perhitungan Hubung Singkat
Perhitungan praktis untuk menghitung besar arus hubung singkat dalam sistem distribusi dapat dilakukan sebagai berikut:
a. Hubung Singkat Tiga Fasa
Hubung singkat tiga fasa adalah kondisi dimana ketiga konduktor fasa saling terhubung secara fisik seperti Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Hubung Singkat Tiga Fasa
Pada saat ketiga konduktor kawat fasa mengalami hubung singkat maka semua arus akan mengalir ke tanah dan menyebabkan penurunan nilai tegangan hingga mendekati nol. Walaupun hubung singkat tiga fasa jarang terjadi, tetapi nilai arus yang dihasilkan adalah arus hubung singkat maksimum sehingga arus hubung singkat ini menjadi dasar perhitungan arus hubung singkat pada sistem tenaga listrik industri. Kondisi yang terjadi pada saat gangguan hubung singkat tiga fasa [5]:
Ia + Ib + Ic = 0 Va = Vb = Vc
Akibat sistem yang seimbang maka urutan negatif dan urutan nol tidak ada, sehingga diperoleh:
𝑉𝑎 = 𝑉𝑓 – 𝐼𝑎1𝑍𝑎1 = 0 2.4 𝐼𝑎1 = 𝐼𝑎 = 𝐼𝑓= 𝑉𝑓
𝑍 2.5 Persamaan arus hubung singkat tiga fasa seperti persamaan berikut:
𝐼𝑓3∅ = 𝐸𝑝ℎ
𝑍 2.6 Untuk gangguan tiga fasa impedansi yang digunakan adalah impedansi urutan positif, nilai ekivalen 𝑍1, dan tegangannya adalah E fasa (line to netral).
b. Hubung Singkat Fasa ke Fasa
Pada sebagian besar sistem tenaga listrik tiga fasa, besar arus hubung singkat fasa ke fasa adalah 87% dari arus hubung singkat tiga fasa seperti Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Hubung Singkat Fasa ke Fasa
Gambar 2.11 menunjukkan terjadinya hubung singkat fasa ke fasa.
Magnitude arus hubung singkat ini dapat diperoleh dengan mengalikan arus hubung singkat tiga fasa dengan √3 (0,866) pada saat kondisi 𝑍1=𝑍2. Arus hubung singkat antar fasa diberikan oleh persamaan berikut:
𝐼𝑓2∅ = 𝐸𝑝ℎ 𝑥 √3
𝑍1+𝑍2 = √3
2 x 𝐼𝑓3∅ 2.7 Untuk gangguan fasa ke fasa impedansi yang digunakan adalah impedansi urutan positif dan urutan negatif, nilai ekivalen 𝑍1+𝑍2, serta tegangannya adalah E fasa- fasa.
c. Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah
Hubung singkat satu fasa ke tanah adalah peristiwa hubung singkat yang paling sering terjadi pada sistem tenaga listrik. Magnitude arus gangguan ini beragam dari nilai mendekati nol sampai hampir sebesar arus hubung singkat tiga fasa. Hubung singkat ini dapat digambarkan seperti Gambar 2.12.
.
Gambar 2.12 Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah
Hubung singkat satu fasa ke tanah ini melibatkan impedansi urutan nol (𝑍0), sehingga besarnya arus hubung singkat yang muncul akan bergantung kepada sistem pentanahan yang digunakan. Adapun besarnya arus hubung singkat satu fasa ke tanah seperti pada Persamaan 2.8.
𝐼𝑓1∅ = 𝐸𝑝ℎ𝑥 3
𝑍1+𝑍2+ 𝑍0 2.8 Pada metode pentanahan solid, magnitude arus hubung singkat akan mendekati magnitude arus hubung singkat tiga fasa. Pada metode pentanahan menggunakan resistansi, besarnya nilai resistansi dapat digunakan untuk membatasi magnitude arus hubung singkat yang terjadi.
2.5 Kompensator Kedip Tegangan
Untuk memperbaiki profil tegangan pada suatu sistem jaringan distribusi maka dapat digunakan peralatan Flexible Alternating Current Transmission System (FACTS). FACTS juga dapat berfungsi untuk meminimalisir kedip tegangan yang muncul di jaringan distribusi. Contoh dari perangkat FACTS adalah Static VAR Compensator (SVC) dan Synchronous Static Compensator (STATCOM). Melalui Gambar 2.13 dapat diketahui bagaimana kompensator kedip tegangan seperti SVC dan STATCOM dapat memitigasi kedip tegangan yang muncul pada jaringan distribusi.
Beban
Kompensator Kedip Tegangan (SVC atau STATCOM) Vs
Zs
Vpcc VL
Sumber Tegangan
Transformator
Is IL
Ic
ZLine
Gambar 2.13 Kompensator Kedip Tegangan
Keterangan gambar:
Vs : Tegangan sumber (Volt) VL : Tegangan beban (Volt)
Vpcc : Tegangan terminal titik sambung (Volt) Zs : Impedansi sumber (Ohm)
ZLine : Impedansi jaringan (Ohm) Is : Arus sumber (Ampere) IL : Arus beban (Ampere) Ic : Arus kompensator (Ampere)
Berdasarkan Gambar 2.13 dapat diketahui bahwa arus yang mengalir pada beban adalah penjumlahan dari arus sumber dan arus kompensator. Kompensator bekerja untuk mengurangi besarnya Voltage Drop atau jatuh tegangan pada jaringan yang dapat mengakibatkan timbulnya kedipan karena penurunan nilai rms tegangan. Ketika tegangan jatuh pada sistem diperbaiki maka hal ini akan secara otomatis memperbaiki kedip tegangan yang muncul. Adapun besarnya kompensasi mitigasi kedip tegangan yang terjadi diberikan oleh Persamaan 2.9 dan Persamaan 2.10 [7].
ΔV = 1 – Vsag 2.9
Perbaikan ΔV = Ic * Z total 2.10
Dimana, ΔV adalah besarnya jatuh tegangan yang terjadi pada sistem. Berikut ini beberapa perbedaan antara SVC dan STATCOM pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Perbedaan SVC dan STATCOM [7]
Perbedaan SVC STATCOM
Kecepatan respon Lebih lambat Lebih cepat
Biaya Lebih murah Lebih mahal
Rugi-rugi pada saat beroperasi Lebih besar Lebih sedikit Produksi daya reaktif pada saat
beroperasi di level tegangan rendah
Lebih sedikit Lebih banyak
Ukuran konstruksi peralatan Lebih besar Lebih kecil Range variasi perubahan
karakteristik kerja
Lebih kecil Lebih besar
2.5.1 SVC
Static VAR Compensator (SVC) adalah gabungan perangkat elektronika daya yang disusun secara paralel untuk mengatur aliran daya dan meningkatkan stabilitas transien dari sistem. Salah satu manfaat dari penggunaan SVC pada jaringan distribusi adalah untuk menjaga tegangan sistem tetap stabil. Diagram skematik dari SVC seperti Gambar 2.14.
Gambar 2.14 Diagram Skematik SVC
Sebuah kompensator yang ideal diasumsikan tidak mengandung komponen resistor. Sesuai dengan hal tersebut maka SVC diharapkan tidak akan menyerap daya aktif dari sistem yang sedang beroperasi. Seperti pada Gambar 2.14, SVC akan terhubung dengan sistem yang sedang beroperasi melalui sebuah titik sambung, dimisalkan titik sambung Node j. Suseptansi dari SVC dimisalkan 𝐵𝑆𝑉𝐶. Adapun besarnya arus SVC diperoleh dari Persamaan 2.11.
ISVC = jBSVC𝑉j 2.11 Dimana, Vj adalah tegangan pada titik sambung Node j. Besarnya nilai 𝐵SVC diperoleh dari Persamaan 2.12 [12].
BSVC = 1
𝑋𝑐𝑋𝐿[XL−Xc
π [2(𝜋 − αSVC) + 𝑠𝑖𝑛(2αSVC)]] 2.12 Dimana, XC dan XL adalah reaktansi kapasitif dan induktif dari SVC dan αSVC adalah sudut penyalaan SVC. Untuk menentukan besarnya daya reaktif yang diserap ataupun diberikan oleh SVC dapat diperoleh dari Persamaan 2.13.
Qj = -|𝑉𝑗|2 BSVC 2.13
SVC memiliki karakteristik tegangan terminal dan arus seperti pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Karakteristik V-I dari SVC [12]
Dari Gambar 2.15 dapat diketahui bahwa daerah kerja SVC terbagi menjadi tiga, antara lain:
1. Control Region
Pada daerah kerja ini, SVC dapat dikendalikan untuk bekerja bersifat kapasitif ataupun induktif. Batas tegangan kerja SVC (𝑉𝑆𝑉𝐶) berada diantara rentang nilai tegangan minimal (𝑉𝑚𝑖𝑛) dan tegangan maksimal (𝑉𝑚𝑎𝑥). Sedangkan untuk batas kerja arus SVC (𝐼𝑆𝑉𝐶) berada dalam rentang nilai arus kapasitif maksimal (𝐼𝐶𝑚𝑎𝑥) dan arus induktif maksimal (𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥).
2. Capasitive Limit
Pada kondisi daerah kerja ini nilai 𝑉𝑆𝑉𝐶 lebih rendah dari nilai 𝑉𝑚𝑖𝑛, sehingga SVC akan bersifat kapasitif dan hanya berfungsi sebagai fixed capacitor.
3. Inductive Limit
Pada daerah Inductive Limit, nilai 𝑉𝑆𝑉𝐶 lebih besar dari nilai 𝑉𝑚𝑎𝑥, oleh karena itu SVC akan bersifat induktif.
2.5.1.1 Prinsip Kerja dan Komponen SVC
Didalam dunia industri, pemasangan SVC secara langsung dengan tegangan sistem dapat dilakukan. Apabila tegangan sistem yang beroperasi berada diluar nilai tegangan yang umum, maka diperlukan sebuah transformator untuk menaikkan atau menurunkan tegangan agar tercapai kesamaan besar tegangan sistem dan SVC. Prinsip kerja SVC ditunjukkan oleh Gambar 2.16.
Sistem distribusi yang beroperasi
TCR TSC
Voltage regulator
Distribution unit
Voltage reference
Phase Locked Loop Voltage measurement
Sistem kendali SVC
Gambar 2.16 Blok Diagram Prinsip Kerja SVC [13]
Berdasarkan prinsip kerja SVC pada Gambar 2.16 dapat diperoleh informasi bahwa tegangan pada sistem distribusi yang sedang beroperasi akan diukur oleh SVC melalui sistem kendali. Sistem kendali ini terdiri dari komponen Voltage Measurement, Voltage Regulator, Distribution Unit dan Phase Locked Loop. Setelah tegangan sistem didapat maka hasil pengukuran tersebut diteruskan ke komponen Voltage Regulator. Pada bagian ini, tegangan sistem yang sedang beroperasi akan dibandingkan dengan nilai tegangan referensi yang sudah diatur.
Hasil perbandingan selanjutnya diteruskan ke komponen Distribution Unit.
Komponen ini berfungsi untuk memberikan perintah sudut penyalaan thyristor yang nantinya akan dieksekusi oleh komponen Phase Locked Loop (PLL). PLL kemudian akan membuka katup thyristor sehingga SVC akan menyerap ataupun memberikan daya reaktif ke sistem. SVC terdiri dari komponen Thyristor Switch
Capacitor (TSC), Thyristor Controlled Reactor (TCR) dan Sistem kendali seperti pada Gambar 2.17.
Voltage Measurement
Voltage Regulator
Distribution Unit Synchronizing
Unit (PLL) Pulse Generator
+ - Vref
TCR TSC
Secondary Voltages Primary Voltages
Pulse
Control System n_TSC
α Vra
B
Gambar 2.17 Komponen SVC [13]
Dari Gambar 2.17 dapat diketahui bahwa bagian utama SVC terdiri dari:
a. Thyristor Switch Capacitor (TSC)
TSC terdiri dari kapasitor dan thyristor. Katup dari tyhristor nantinya akan diatur oleh komponen kendali sehingga bekerja untuk mensuplai daya reaktif ke sistem yang sedang beroperasi.
b. Thyristor Controlled Reactor (TCR)
Sama halnya dengan TSC, TCR terdiri dari reaktor dan thyristor yang diatur oleh komponen kendali sehingga bekerja untuk menyerap daya reaktif dari sistem.
c. Sistem kendali SVC
Sedangkan sistem kendali pada SVC terdiri dari komponen-komponen berikut ini:
1. Voltage measurement, berfungsi untuk mengukur tegangan sistem yang sedang beroperasi.
2. Voltage regulator, berfungsi untuk membandingkan tegangan sistem yang sedang beroperasi dengan tegangan referensi yang telah ditetapkan.
3. Distribution unit, berfungsi untuk memberikan perintah sudut penyalaan kepada thyristor.
4. Phase Locked Loop (PLL), berfungsi untuk mensinkronasi tegangan di sisi sekunder trafo dengan on off TSC dan TCR.
2.5.2 STATCOM
Static synchronous compensator (STATCOM) merupakan salah satu shunt device dari Flexibel AC Transmission System (FACTS) yang terdiri dari peralatan elektronika daya yang dapat mengatur aliran daya dan meningkatkan stabilitas transien sistem dengan cepat. Diagram skematik dari STATCOM seperti Gambar 2.18.
Vdc
VSC
V Line
Trafo
V Stat
Gambar 2.18 Diagram skematik STATCOM
Sama halnya dengan SVC, pada STATCOM juga diharapkan tidak mengandung komponen resistif sehingga tidak menyerap daya aktif dari sistem yang sedang beroperasi ( 𝐺𝑆𝑇𝐴𝑇𝐶𝑂𝑀 = 0 ). Untuk menentukan besarnya aliran daya dari STATCOM dapat disajikan pada Persamaan 2.14 sampai dengan Persamaan 2.16.
YSTAT = GSTAT+ 𝑗BSTAT 2.14 Karena diasumsikan nilai 𝐺𝑆𝑇𝐴𝑇𝐶𝑂𝑀 = 0, maka:
PSTAT = 0 2.15
SSTAT = VSTAT ISTAT∗ 2.16 Kemudian adapun besarnya daya reaktif yang dapat diserap atau diberikan Statcom ke sistem dapat diperoleh dari Persamaan 2.17.
QSTAT = - BStat |𝑉𝑆𝑡𝑎𝑡|2+ BStat |𝑉𝑆𝑡𝑎𝑡| |𝑉𝐿𝑖𝑛𝑒| 2.17 STATCOM memiliki karakteristik tegangan dan arus kerja seperti ditunjukkan pada Gambar 2.19.
Gambar 2.19 Karakteristik V-I STATCOM [14]
Berdasarkan kurva karakteristik V-I pada Gambar 2.19 dapat diketahui bahwa STATCOM mampu bersifat kapasitif dan induktif pada saat bekerja.
Ketika tegangan sistem berada di bawah level 1 pu maka STATCOM akan bersifat kapasitif sehingga memberikan daya reaktif ke sistem yang sedang beroperasi.
Namun pada saat tegangan sistem berada di atas 1 pu maka STATCOM akan bersifat induktif dan akan menyerap daya reaktif sistem, sehingga tegangan sistem yang pada awalnya diatas 1 pu akan kembali menjadi normal.
2.5.2.1 Prinsip Kerja dan Komponen STATCOM
STATCOM menghasilkan tegangan tiga fasa seimbang dan tegangan fasa yang besarnya dapat disesuaikan dengan cepat dengan menggunakan saklar semikonduktor. Prinsip kerja STATCOM ditunjukkan oleh Gambar 2.20.
Tegangan Bus Sistem yang beroperasi (beban)
Sistem Kendali STATCOM VSC
Daya reaktif
Pembacaan tegangan sistem
menyerap
mensuplai
Gambar 2.20 Prinsip Kerja STATCOM [14]
STATCOM terhubung ke sistem distribusi melalui kopling reaktansi. Bila tegangan Variable Source Converter (VSC) yang dibangkitkan lebih besar dari tegangan sistem, maka STATCOM akan menghasilkan daya reaktif ke sistem. Sebaliknya bila tegangan VSC lebih rendah dari tegangan sistem, STATCOM akan menyerap daya reaktif dari sistem.
STATCOM adalah peralatan yang terhubung paralel dengan sistem yang sedang beroperasi. STATCOM terdiri dari beberapa komponen dan dapat lebih jelas terlihat pada Gambar 2.21.
Gambar 2.21 Komponen STATCOM
STATCOM terdiri dari komponen utama yaitu VSC yang tersusun dari satu atau lebih konverter, kapasitor DC dan sistem kendali. Sedangkan sistem kendali STATCOM terdiri dari Sistem Pengukuran, Phase Locked Loop (PLL), Regulator tegangan AC, Regulator tegangan DC, Regulator arus dan Pulse Width Modulation (PWM) Modulator.
2.6 Alternative Transients Program
Pemodelan jaringan distribusi IEEE 13 Node Test Feeder dilakukan dengan menggunakan program Alternative Transients Program (ATP) Draw versi 6.3 pada komputer. ATP Draw merupakan salah satu program elektrikal yang digunakan secara luas untuk melakukan simulasi transien sistem secara digital.
Pada program ini pengguna dapat merancang rangkaian listrik dengan memilih komponen-komponen yang telah tersedia. Dengan adanya program simulasi maka dapat mempermudah perancang sistem kelistrikan untuk menghasilkan sistem yang baik. Jendela tampilan awal pada program ATP Draw seperti pada Gambar 2.22.
Gambar 2.22 Tampilan Jendela Awal Program ATP Draw
Tampilan jendela awal seperti pada Gambar 2.22 muncul dengan cara memilih menu file dan klik New. Komponen-komponen yang akan digunakan dapat dipilih dengan cara melakukan klik kanan pada mouse dan memilih komponen yang dibutuhkan.
2.6.1 Komponen ATP Draw
Program ATP Draw versi 6.3 terdiri beberapa komponen-komponen utama seperti Main Menu, Tool Bar, Header, Circuit Windows dan Component Selection Menu. Setiap komponen-komponen tersebut memiliki pengertian dan fungsi tertentu. Komponen ATP Draw secara lebih jelas seperti pada Gambar 2.23.
Gambar 2.23 Komponen Program ATP Draw
Main Menu adalah komponen yang berisi menu utama pada program ATP Draw dan terdiri dari File, Edit, View, ATP, Library, Tools, Windows, Web dan Help. Tool Bar adalah deretan beberapa menu perintah yang berasal dari Main Menu dan dapat dipilih langsung sesuai dengan keperluan pengguna.
Header adalah judul dari lembar kerja yang berisi informasi nama dari tugas yang sedang dikerjakan. Circuit Windows adalah jendela lembar kerja yang berisikan rangkaian yang sedang dikerjakan. Seluruh rangkaian pekerjaan yang dilakukan akan ditampilkan melalui komponen Circuit Windows. Component Selection Menu adalah menu yang berisi seluruh komponen standar yang dapat dipergunakan pada program ATP Draw. Seluruh isi menu standar dari Component Selection Menu seperti pada Gambar 2.24.
Main Menu Tool Bar
Header Circuit
Windows
Component Selection Menu
Gambar 2.24 Komponen Standar Program ATP Draw
Gambar 2.24 menampilkan semua komponen standar yang dapat dipilih pada software ATP Draw. Komponen-komponen ini terdiri dari 12 menu komponen utama yang dapat dipilih, dimulai dari Probes & 3-phase, Branch Liniar, Branch Nonliniar, Lines/cables, Switches, Sources, Machines, Transformers, Models, TACS, User Specified dan Steady-state [15].
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dengan menggunakan bantuan perangkat lunak ATP Draw versi 6.3 pada komputer.
3.2 Data-data yang Diperlukan
Adapun data-data yang diperlukan untuk melakukan penelitian ini adalah Single line diagram, spesifikasi sistem dan beban sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder.
3.3 Pelaksanaan Penelitian
Dalam melaksanakan penelitian, dilakukan pengumpulan data yang dibutuhkan terlebih dahulu. Data yang diperoleh selanjutnya diolah dan hasilnya akan ditampilkan dengan bantuan software ATP Draw versi 6.3.
3.4 Variabel yang Diamati
Variabel-variabel yang diamati dalam penelitian ini adalah magnitude dan bentuk gelombang kedip tegangan sebelum dan sesudah penggunaan SVC dan STATCOM.
3.5 Prosedur Penelitian
Berdasarkan diagram alir flowchart, simulasi dan pengolahan data dapat dilihat pada Gambar 3.1 berikut.
MULAI
PENGUMPULAN DATA
PEMODELAN DIAGRAM SATU GARIS PADA ATP
INPUT DATA
MENJALANKAN SIMULASI KEDIP TEGANGAN TANPA
SVC dan STATCOM
PEMASANGAN STATCOM
MENJALANKAN SIMULASI TEGANGAN KEDIP SETELAH
PEMASANGAN SVC
MENJALANKAN SIMULASI TEGANGAN KEDIP SETELAH
PEMASANGAN STATCOM
ANALISIS HASIL SIMULASI SEBELUM dan SESUDAH
PEMASANGAN SVC dan STATCOM
KESIMPULAN
SELESAI PEMASANGAN SVC
BANDINGKAN HASIL ANALISIS
Gambar 3.1 Flowchart Penelitian
1. Pengumpulan data
Proses pengumpulan data melakukan pencarian terhadap data-data yang dibutuhkan sebelum melakukan penelitian, yaitu data jaringan sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder.
2. Pemodelan diagram satu garis
Setelah data diperoleh, kemudian dibuat diagram satu garis pada software ATP Draw versi 6.3. Diagram satu garis sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder ditunjukkan pada Gambar 3.2 [16].
Gambar 3.2 Diagram satu garis sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder
3. Input data
Data-data yang telah dikumpulkan kemudian diolah dan dimasukkan ke dalam simulasi aliran daya. Data-data yang dibutuhkan telah diuraikan pada prosedur “Pengumpulan data” di atas.
a. Data generator
Sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder terdiri dari satu buah generator yang berfungsi sebagai pembangkit daya listrik. Data spesifikasi generator memiliki nilai tegangan antar fasa sebesar 115 kV dan frekuensi 60 Hz.
b. Data transformator
Pada penelitian ini terdapat dua buah transformator yang digunakan. Yang pertama adalah transformator dengan rating sebesar 5000 kVA dan yang kedua sebesar 500 kVA. Data transformator yang terdapat pada sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder ini seperti pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Data Transformator [16]
Name Tag kVA kV-High kV-Low R - % X - %
Substation 5000 115 – D 4,16 – Gr.W 1 8
XFM-1 500 4.16 – Gr.W 0,48 – Gr.W 1,1 2
c. Data beban yang terpasang
Standar IEEE 13 Node Test Feeder terdiri dari dua jenis beban. Jenis beban yang pertama adalah jenis beban Spot Loads yaitu beban yang terhubung langsung di titik node seperti pada Tabel 3.2 dan yang kedua adalah Distributed Loads yakni beban yang terpasang diantara dua titik node seperti pada Tabel 3.3.
Tabel 3.2 Data Spot Loads [16]
Node Ph-1
(kW)
Ph-1 (kVar)
Ph-2 (kW)
Ph-2 (kVar)
Ph-3 (kW)
Ph-3 (kVar) 634
645 646 652 671 675 692 611
160 0 0 128 385 485 0 0
110 0 0 86 220 190 0 0
120 170 230 0 385
68 0 0
90 125 132 0 220
60 0 0
120 0 0 0 385 290 170 170
90 0 0 0 220 212 151 80 Tabel 3.3 Data Distributed Loads [16]
Node A Node B Ph-1 (kW)
Ph-1 (kVar)
Ph-2 (kW)
Ph-2 (kVar)
Ph-3 (kW)
Ph-3 (kVar)
632 671 17 10 66 38 117 68
d. Data Kapasitor Bank
Selain beban yang terhubung dengan sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder, terdapat juga dua buah kapasitor bank yang terhubung di titik node 675 dan titik node 611. Data kedua kapasitor bank tersebut seperti pada Tabel 3.4.
Tabel 3.4 Data Kapasitor Bank [16]
Node Ph-1 (kVar) Ph-2 (kVar) Ph-3 (kVar) 675
611
200 0
200 0
200 100 e. Data Penghantar
Data penghantar pada jaringan distribusi IEEE 13 Node Test Feeder seperti pada Tabel 3.5.
Tabel 3.5 Data Penghantar [16]
Node A Node B Panjang (ft) 632
632 633 645 650 684 632 671 671 671 684 692
645 633 634 646 632 652 671 684 680 692 611 675
500 500 0 300 2000
800 2000
300 1000
0 300 500 f. Menjalankan simulasi awal
Jaringan yang sudah dimodelkan kemudian disimulasikan pada jendela kerja ATP Draw melalui menu Compile. Setelah proses simulasi selesai maka Software ATP Draw dapat menampilkan bentuk gelombang pada setiap Node
melalui menu Execute Plot Command. Proses simulasi awal digunakan untuk mengetahui gelombang tegangan sebelum terjadi gangguan pada setiap Node.
g. Menentukan Node yang akan dipasang SVC dan STATCOM
Setelah simulasi aliran daya dilakukan, maka ditentukan Node mana saja yang direncanakan untuk dipasangkan SVC dan STATCOM. Pada penentuan titik tempat pemasangan dilakukan secara acak.
h. Menjalankan simulasi kedip tegangan dengan alat kompensator
Simulasi kedip tegangan digunakan untuk mengetahui besar penurunan nilai tegangan apakah sudah sesuai dengan batas nilai kedip tegangan yang telah ditetapkan Std. IEEE 1159-1995. Kemudian dijalankan simulasi kedip tegangan sebelum dan sesudah pemasangan SVC dan STATCOM untuk mengetahui dampak pemasangan alat kompensator tersebut terhadap batas toleransi kedip tegangan pada sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder.
i. Menganalisis hasil simulasi
Setelah didapat hasil aliran daya dan gelombang tegangan setiap Node sebelum dan sesudah pemasangan alat kompensator, maka dapat ditarik kesimpulan bagaimana pengaruh alat kompensator tersebut terhadap mitigasi kedip tegangan akibat dari gangguan hubung singkat yang terjadi.
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Simulasi Aliran Daya Sebelum Pemasangan SVC dan STATCOM Sebelum melakukan penelitian pemasangan SVC dan STATCOM terhadap sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder, maka terlebih dahulu melakukan studi aliran daya. Simulasi aliran daya dibantu oleh program ATP Draw dengan memodelkan sistem distribusi seperti pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Pemodelan Sistem pada Program ATP Draw
Pada saat pemodelan sistem, data yang digunakan ialah diagram satu garis sistem distribusi IEEE 13 Node Test Feeder, dimana dapat dilihat pada Gambar 3.2 (Sub Bab 3.5). Hasil aliran daya sebelum pemasangan kompensator kedip tegangan dapat dilihat pada Tabel 4.1 berikut:
Tabel 4.1 Aliran daya sebelum pemasangan SVC dan STATCOM Nama
Node
Nominal Tegangan (kV)
Tegangan (pu)
Sudut (Derajat) GEN
650 646 645 632 633 634 611 684 671 692 675 652 680
115 4,16 4,16 4,16 4,16 4,16 0,48 4,16 4,16 4,16 4,16 4,16 4,16 4,16
1,000 1,025 0,927 0,927 0,928 0,924 0,952 0,884 0,884 0,885 0,885 0,876 0,878 0,885
0 -32.5 -33.6 -33.7 -34 -34 -34.6 -35.5 -35.5 -35.5 -35.5 -36.2 -35.6 -35.5
Berdasarkan data hasil simulasi aliran daya pada Tabel 4.1 dapat diketahui bahwa hanya ada satu buah titik yang memiliki nilai tegangan diatas 1 pu, yakni Node 650. Node GEN tidak dihitung kedalam kelompok Node yang memiliki nilai diatas 1 pu karena tidak termasuk dalam kelompok Node standar jaringan
![Gambar 2.2 Kurva CBEMA [8]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2197805.4048340/20.892.281.676.131.365/gambar-kurva-cbema.webp)
![Gambar 2.4 Kurva SEMI F47 [9]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2197805.4048340/21.892.304.637.461.694/gambar-kurva-semi-f.webp)
![Gambar 2.7 Kurva Tingkat Kepekaan Peralatan Terhadap Kedip Tegangan [8]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2197805.4048340/26.892.267.685.129.426/gambar-kurva-tingkat-kepekaan-peralatan-terhadap-kedip-tegangan.webp)
![Gambar 2.16 Blok Diagram Prinsip Kerja SVC [13]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2197805.4048340/38.892.179.746.125.534/gambar-blok-diagram-prinsip-kerja-svc.webp)
![Gambar 2.19 Karakteristik V-I STATCOM [14]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2197805.4048340/41.892.315.641.525.824/gambar-karakteristik-v-i-statcom.webp)
