ANALISA GANGGUAN PADA ELECTRIC ARC FURNACE (EAF) AKIBAT ARUS INRUSH TRANSFORMATOR & RESONANSI FILTER HARMONISA PABRIK PELEBURAN BAJA PT.

Transkripsi

1 ANALIA GANGGUAN PADA ELECTRIC ARC FURNACE (EAF) AKIBAT ARU INRUH TRANFORMATOR & REONANI FILTER HARMONIA PABRIK PELEBURAN BAJA PT. IPATINDO Gunawan Muhammad, Ontoseno Penangsang, Heri uryoatmojo Jurusan Teknik Elektro FTI-IT Abstrak--Tungku busur listrik (arc furnace) merupakan peralatan utama di pabrik peleburan baja ( PT. IPATINDO ) yang juga merupakan sumber. Proses switching beban arc furnace berpengaruh pada aliran daya pada sistem sehingga sistem perlu dilakukan analisa. Pada tugas akhir ini, dibahas tentang analisa timbulnya arus inrush dan arus pada saluran dengan beban arc furnace. Tugas akhir ini memaparkan tentang pengaruh arus inrush dan arus sesaat dengan magnitude yang sangat tinggi pada orde ke 2 dan resonansi pada saat saluran dipasang filter. Pada simulasi terdeteksi pada beban arc furnace dan transformator 65 sumber sebesar 43,40 dan 58,32 dari arus fundamentalnya. Kemudian pemasangan filter juga menjadi masalah yang menghasilkan resonansi parallel pada 40 Hz. Gangguan-gangguan diatas menjadi salah satu parameter dalam setting rele arus lebih sehingga suplai daya tetap aman walaupun gangguan-gangguan tersebut terjadi dan setelah dilakukan evaluasi, nilai arus total bisa ditekan sebesar 3,5 dari gangguan semula sebesar 6,95. Kata Kunci: Harmonisa, inrush current,resonansi, relay arus lebih, arc furnace. I. PENDAHULUAN Transformator merupakan peralatan listrik yang berfungsi sebagai alat bantu penyedia daya listrik pada setiap kegiatan sektor bisnis atau industri. Di industri peleburan baja PT Ispat Indo terdapat beban non-linear seperti motor induksi, pengaturan kecepatan motor, dan tungku busur api. Beban non linier akan memberikan bentuk gelombang keluaran yang tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi), fenomena harmonik yang utama pada PT. Ispat Indo yaitu akibat dari beban tungku busur api. Masalah yang timbul adalah akibat terdistorsinya tegangan / arus yang ada pada sistem akibat penjumlahan harmonik yang muncul. Terdistorsinya gelombang tegangan tersebut, akan berujung pada unjuk kerja transformator daya, di antaranya temperatur dan efisiensi. Dalam industri peleburan baja masalah utama lain yang sering timbul adalah inrush current atau dapat disebut pula arus berlebih pada transformator pada saat beban electric arc furnace dan transformator dalam keadaan bekerja (energize). Kemudian beban electric arc furnace yang bersifat non linier dapat juga membangkitkan arus, dimana arus ini bersifat menyuntikkan arus perusak yang kembali ke sistem. Dalam keadaan ini, diperlukan suatu filter untuk menjaga kualitas daya pada sistem. Namun, pengkompensasian dengan filter juga menimbulkan masalah resonansi pada impedansi sistem. Dalam tugas akhir ini akan dibahas bagaimana cara untuk mengatasi arus inrush pada transformator arc furnace dan arus yang dihasilkan beban akibat proses switcing beban arc furnace yang mempertimbangkan arus orde 2 terhadap kinerja filter dan koreksi setting relay pada saat timbulnya arus inrush tersebut. II. LANDAAN TEORI 2. Fenomena Arus Inrush Pada saat transformator dihubungkan terhadap suatu sumber tegangan (energize) akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat sampai tercapai kondisi steady state. Arus awal ini disebut sebagai arus inrush dan besarnya dapat mencapai 8 sampai 30 kali arus nominal. Arus inrush ini perlu mendapat perhatian khusus karena pengaruhnya dapat mengganggu pengoperasian pengaman, tergantung keadaan awal saat transformator tersebut dihubungkan. Faktor-faktor yang mempengaruhi besar dan lamanya arus inrush ini antara lain adalah magnitude tegangan suplay saat energize, flux sisa pada inti trafo dan impedansi sumber dan impedansi sistem. 2.2 Resonansi Filter Resonansi Paralel Resonansi paralel akan menghasilkan impedansi yang tinggi. ehingga jika frekuensi sama dengan frekuensi resonansi paralel, maka akan terjadi tegangan yang tinggi pada terminal kapasitor. Frekuensi resonansi paralel adalah f p f Dimana: f : frekuensi fundamental (Hz) f p : frekuensi resonansi paralel (Hz) s : rating sumber short circuit (VAR) c : rating kapasitor (VAR) s c Berikut contoh terjadinya resonansi pararel pada jaringan:

2 konverter Kapasitor bank sumber Induktansi transformator Kapasitansi dari Kapasitor bank III. ITEM KELITRIKAN Bentuk sistem kelistrikan yang dipakai oleh PT. Ispat Indo, urabaya adalah sistem distribusi radial. istem ini disuplai oleh dua feeder dari PLN Waru yaitu Waru dan Waru 2 dan masing-masing dengan tegangan 50 KV dan daya 495 MVAsc. Berikut ini gambar sistem kelistrikan yang dianalisa: Gambar. Fenomena Resonansi Paralel Pada Gambar. di atas, resonansi paralel terjadi ketika sumber (harmonic source : Variable peed Drive) bertemu dengan kapasitor bank yang dipasang pada busbar yang sama dengan sumber tersebut dan terhubung dengan transformator yang memiliki induktansi yang tinggi. Resonansi eri Resonansi seri akan mengakibatkan impedansi menjadi sangat kecil sehingga arus yang tinggi dapat mengalir ke kapasitor. Frekuensi pada saat terjadi resonansi seri adalah konverter f s f c Z 2 2 c dengan, f : frekuensi fundamental (Hz) f s : frekuensi resonansi seri (Hz) : rating transformator (VAR) c : rating kapasitor bank (VAR) Z l : impedansi transformator dalam pu Kapasitor bank Gambar 2. Fenomena resonansi seri sumber Induktansi transformator Kapasitansi dari Kapasitor bank 2.3 Filter Harmonisa Filter pasif tersusun dari induktansi, kapasitansi, dan resistansi. Filter pasif ini mempunyai beberapa bentuk, berdasarkan susunan rangkaian komponen-komponen penyusunnya. ecara umum filter pasif dapat dibedakan dalam tiga jenis : Filter dengan penalaan tunggal (ingle Tuned hunt Filter). Filter dengan penalaan ganda (Double Tuned Filter). High Pass Damp Filter Type. Gambar 3. ingle line diagram PT. Ispatindo yang dianalisa IV. IMULAI DAN ANALII 4. Pemodelan sistem Tugas akhir kali ini akan dibahas tentang analisa gangguan pada Electric Arc Furnace akibat arus inrush pada transformator dan resonansi filter pada single line diagram PT. Ispat Indo 4.2 Fenomena Inrush Current Fenomena inrush curent pada tugas akhir ini didapatkan dari akibat proses switching pada beban arc furnace yang mengakibatkan timbulnya arus orde 2 dan 3 yang dominan. Maka dari itu transformator TR 65 dan pada beban arc furnace disimulasikan dengan memasukkan sumber dengan nilai prosentase sebagai berikut: Tabel. Hasil tabulasi prosentase arus pada transformator 65 dan beban arc furnace. Arus harmonis a Trafo Beban Arc furnace Dari Tabel diatas terlihat terjadi adanya arus dominan yaitu pada orde ke 2 dan ke 3 yang nilainya sebesar pada trafo 65 dan sebesar pada beban electric arc furnace. Hal ini terjadi karena pada saat trafo terjadi inrush maka akan cenderung bersamaan muncul sumber orde 2 yang tinggi

3 frekuensi 40 Hz sebesar 6, Ω, dan impedansi yang rendah dengan frekuensi 70 Hz sebesar 3,95Ω. 4.4 Koreksi kordinasi proteksi Gambar 6. ingle line diagram dari bus 00 sampai bus PLN Gambar 4.. ingle line hasil simulasi akibat timbulnya inrush current 4.3 Fenomena Resonansi Paralel Langkah selanjutnya adalah melihat respons frekuensi pada bus ABB panel apakah dengan pemasangan filter tersebut akan menyebabkan fenomena resonansi paralel. Resonansi paralel mengakibatkan tegangan sesaat pada sistem lokal menjadi sangat tinggi jika terdapat arus pada frekuensi resonan. Hal ini dapat terjadi karena pada frekuensi resonan, impedansi yang terjadi pada sistem lokal menjadi sangat besar sehingga akan timbul tegangan sesaat yang sangat besar pada sistem lokal. Jika frekuensi resonan ini terjadi pada orde harmonik arus yang dominan, maka akan mengakibatkan tegangan sesaat sistem lokal menjadi sangat besar. Hal ini dikarenakan tangan adalah perkalian dari impedansi dan arus. Berikut ini adalah plot dari impedansi sistem: Koordinasi proteksi dengan dilakukan agar saat sistem terdapat arus akibat fenomena inrush current tidak akan mengganggu seting dari sistem kelistrikan, berikut adalah settingan sebelum dan sesudah mempertimbangkan gangguan : Gambar 7. Kurva proteksi sebelum adanya arus gangguan Gambar 5. Kurva impedansi pada bus ABB Panel Pada Gambar 5. diatas terlihat bahwa pemasangan filter ke 2 mempunyai pengaruh terhadap impedansi yang tinggi pada bus ABB Panel 33 kv dengan Pada saat gangguan, arus yang melewati saluran tercatat sebesar 238,5 A pada sekitar 4,5 detik oleh karena itu perlu di koordinasi ulang menjadi seperti gambar berikut. 3

4 . Gambar 9. Indeks THD Tegangan bus-bus yang dianalisa Dari Gambar 9. diatas menunjukkan hasil spectrum harmonik tegangan system pada PT Ispat Indo. Terlihat bahwa orde ke 2 merupakan orde yang dominan untuk dilakukan peredaman. Dari hasil simulasi berdasarkan gambar diatas akan digunakan sebagai dasar untuk merancang desain filter pasif untuk mengatasi masalah faktor daya dan tegangan berlebih Gambar 8. Kurva proteksi dengan Gambar diatas adalah setting ulang relay 4 dan relay 66 dengan mempertimbangkan arus sebesar 238,5 A. Terlihat bahwa untuk pengaturan pada daerah lowsetnya sudah melebihi arus gangguan dengan setting pada relay 4 dan relay 66 arus pickup-nya sebesar,5 kemudian untuk setting waktu instantnya dipilih 0,2s untuk relay 4 dan 0,5s untuk relay Evaluasi Gangguan Arus Harmonisa pada PT. Ispat Indo etelah dilakukan analisa timbulnya arus inrush dan arus ke 2 pada single line diagram kemudian dilakukan pencarian solusi untuk meredam arus ke 2 yang tinggi yang bersumber pada transformator 65 dan beban arc furnace. Dalam hal ini akan dipertimbangkan untuk desain filter agar arus ke 2 yang ada pada single line diagram masih berada pada batas toleransi. tandar yang digunakan adalah standar IEEE 59 (992) 4.6 imulasi dan Analisa Harmonisa sebelum Pemasangan Filter Pasif pada kondisi Existing 4.6. Harmonisa Tegangan Dengan menggunakan modul Harmonics Analysis pada software ETAP 7.0, dilakukan analisis titik-titik tertentu. Pada tabel gambar dibawah ini adalah data mengenai profil harmonik pada bus bus yang mempunyai indeks yang terdapat pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo sebelum dilakukan desain filter Harmonisa Arus elain harmonik tegangan, harmonik arus juga perlu diperhatikan untuk memastikan ada atau tidaknya fenomena resonansi seri pada saat terjadi orde dominan harmonik arus. Pada halaman berikut ini adalah plot dari Thd arus : Gambar 0. Indeks THD Arus saluran 0 dan saluran 24 Gambar 0. adalah plot THD arus dari sistem kelistrikan PT Ispatindo. Pada gambar diatas orde yang dominan adalah orde ke 2. Dari karakteristik THD arus pada gambar diatas maka akan dicari solusi untuk memperbaiki THD arus pada orde 2 yang cenderung tinggi. 4.7 Perencanaan Filter Pasif untuk Mengatasi Harmonisa Untuk meredam arus yang tinggi dilakukan desain filter pada bus-bus yang memiliki indeks individu yang tinggi. Hal itu dilakukan untuk mendapatkan kualitas tegangan yang baik dan memenuhi standar etelah menentukan nilai kapasitor, selanjutnya menentukan perhitungan filter pasif pada beban yang akan di redam nya. Direncanakan filter dipasang dalam hubungan wye-connection. 4

5 Tabel 4 Profil THD Tegangan setelah pemasangan filter Bus THD V () tanda rd () Condition PF () Condit ion Bus OK 85 OK Bus Near Not Furnace OK 83 OK Bus ABB panel OK 98.7 OK Bus OK Bus OK Not OK Not OK Gambar. ingle line setelah direncanakan filter Gambar diatas menunjukkan perencanaan penambahan filter ke2, yang pertama pemasangan diletakkan pada bus near furnace, kemudian yang kedua dipasang pada bus ABB panel, dan yang ke 3 pemasangan diletakkan pada bus Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif terhadap Faktor Daya dan Harmonisa Harmonisa Tegangan Fungsi utama filter pasif adalah menyediakan jalan untuk dilewati oleh harmonik sehingga harmonik tidak mengalir ke system dan membahayakan sistem. Oleh karena itu, pemasangan filter pasif pasti akan berakibat pada turunnya harmonik pada system kelistrikan di PT. Ispat Indo. etelah pemasangan filter, dilakukan plot THD tegangan dan THD arus Harmonisa Arus elain THD tegangan, THD arus juga mengalami penurunan yang signifikan. Berikut ini akan ditampilkan pada Tabel 5, dimana akan menunjukkan menunjukkan bahwa THD arus sebagian besar turun sesuai dengan standard (berdasarkan IEEE td ), Untuk THD arus yang masih berada diatas standar sudah tidak bisa diredam lagi dikarenakan, jika dipasang filter lagi pada saluran tersebut maka akan berpengaruh besar terhadap saluran yang lain, Oleh karena itu pemasangan filter sudah dilakukan semaksimal mungkin untuk mendapatkan hasil analisa pada sistem kelistrikan di PT. Ispatindo ini. Tabel 5 Profil THD arus setelah pemasangan filter pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo Line To Line (Feeder) THD i () Condition 33kV Tranformator 65 ABB Panel 60 Not OK ABB panel Near furnace 70 Not OK Gambar 2. Indeks THD pada masing-masing bus Dari kedua Gambar 2. diatas diperoleh hasil plot pada bus-bus yang terdapat gangguan arus yang cukup besar dan dari gambar tersebut didapatkan hasil THD yang baik dan sesuai pada standar yaitu di bawah 5. Hasil tabulasi lengkap dari bus-bus pada beban arc furnace sebagai berikut: Gambar 3. Indeks THD arus cable 0 dan cable 24 setelah pemasangan filter Gambar 3. diatas menunjukkan bahwa pemasangan filter hanya dapat meredam orde yang dominan, namun dalam simulasinya THD arus pada saluran kabel 0 yaitu saluran dari bus sekunder transformator 65 menuju bus ABB panel dan kabel 24 yaitu saluran dari bus ABB panel menuju bus near furnace tidak mengalami penurunan arus yang signifikan. 5

6 V. PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan simulasi dan analisa pada bab IV sebelumnya maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:. Fenomena inrush current pada trafo terjadi karena pada beban arc furnace bekerja secara periodic, dalam arti beban tersebut tidak sekali switch, namun diperlukan switching dalam waktu tertentu untuk sebuah proses peleburan baja, hal tersebut menimbulkan fenomena inrush current dan arus orde 2 yang tinggi. 2. Arus inrush dan arus yang tinggi dapat merusak peralatan listrik,seperti filter, sehingga perlu dilakukan koreksi kordinasi OCR. 3. Hasil yang diperoleh setelah pemasangan ke 4 filter dengan tuning pada orde ke 2 adalah THD tegangan berkurang dari 6,95 menjadi 3,5 dan THD arus yang masih cukup tinggi yaitu sekitar 60. bidang studi teknik sistem tenaga melalui program lintas jalur hingga sekarang. VI. DAFTAR PUTAKA. Arrillaga, J, D. Watson.N.R. Power ystem Harmonics second edition. John Wiley & ons C. ankaran, Power Quality, UA : CRC Press LLC, tevensson D W, Grainger J.J. Power ystem Analysis. John Wiley & ons Dunia Listrik, Kualitas Daya Listrik 5. Dugan, Roger C.; Mark McGranaghan, urya antoso, H. Wayne Beaty (2003). Electrical Power ystems Quality. McGraw-Hill Companies, Inc 6. IEEE td Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power ystems 7. IEEE td Guide for Application and pecification of Harmonic Filters 8. Zuhal. Dasar Tenaga Listrik. ITB Byungju Park, Hansang Lee, Gilsoo Jang, Byungmoon Han, A Fault Analisys of DC Electric Arc Furnace with VC Harmonic filter in a mini mill plant, Electric Power research , 200 Gunawan Muhammad lahir pada tanggal 9 Nopember 987 di Gresik. Penulis memulai pendidikan di D Muhammadiyah Gresik, kemudian melanjutkan studi di LTPN 4 Gresik dan pada tahun 2002 melanjutkan ke tingkat selanjutnya di MA Muhammadiyah Gresik dan lulus pada tahun Pada tahun yang sama penulis melanjutkan studinya di Jurusan Teknik Elektro Industri -IT, dan lulus pada tahun 2008.Kemudian tahun 200, penulis melanjutkan pendidikan di Jurusan Teknik Elektro IT dan mengambil 6