MEMPERBAIKI PROFIL TEGANGAN DI SISTEM DISTRIBUSI PRIMER DENGAN KAPASITOR SHUNT. Abstrak

Transkripsi

1 MEMERBAIKI ROFIL TEGANGAN DI SISTEM DISTRIBUSI RIMER DENGAN KAASITOR SHUNT Ngakan utu Satriya Utama Staff engajar Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Udayana Kampus Bukit Jimbaran, Bali, Abstrak eningkatan beban yang bersifat induktif dapat mengakibatkan pada penurunan faktor daya, peningkatan rugi-rugi jaringan, penurunan tegangan khususnya pada ujung saluran, dan regulasi tegangan yang memburuk. Berdasarkan pada Laporan Akhir Studi engembangan Sistem Distribusi Bali tahun 004 terdapat beberapa penyulang yang memiliki profil tegangan dibawah standar yang diijinkan, diantaranya penyulang Susut. Alternatif yang dapat dilakukan untuk memperbaiki profil tegangan tersebut adalah dengan melakukan kompensasi daya reaktif yaitu dengan memasang kapasitor shunt. Dengan menggunakan aplikasi program Edsa Technical 000 Service ack 3.5 dapat ditentukan lokasi pemasangan dan kapasitas kapasitor shunt yang paling optimal untuk memperbaiki profil tegangan tersebut. Dari hasil optimasi yang telah dilakukan pada penyulang Susut kapasitor shunt ditempatkan pada jarak 34,0 km (bus 70 A) dari sumber dengan kapasitas 00 kvar. Kenaikan tegangan pada bus (penyulang Susut) yang memiliki tegangan paling rendah mencapai 9,070 kv dari tegangan awal 7,946 kv. Kata Kunci : daya reaktif, penurunan tegangan, faktor daya, optimasi.. ENDAHULUAN Di Bali pariwisata berkembang dengan pesat namun penyediaan fasilitas energi listrik tidak seimbang, sehingga fasilitas energi listrik yang ada tidak memadai dari segi kuantitas maupun kualitas. rofil tegangan berada pada batas minimal dari standar yang diijinkan dialami di daerah ini sehingga sangat mengganggu dan merugikan konsumen. Berdasarkan pada Laporan Akhir Studi engembangan Sistem Distribusi Bali tahun 004, bahwa profil tegangan pada Area Jaringan Bali Timur khususnya pada penyulang Ubud dan Susut berada pada posisi dibawah standar yakni sebesar,03 % dan 8,6 % (lebih dari 5 % dari tegangan kerja, SLN 7, 987). Bila suatu jaringan tidak memiliki sumber daya reaktif di daerah sekitar beban, maka akan mengalir arus reaktif pada jaringan, yang berakibat pada penurunan faktor daya, peningkatan rugi-rugi jaringan, penurunan tegangan khususnya pada ujung saluran, dan regulasi tegangan yang memburuk. Hal ini akan menimbulkan kerugian baik pada produsen dalam hal ini adalah LN sebagai penyedia listrik maupun konsumen (pemakai listrik). Alternatif untuk mengurangi akibat dari meningkatnya arus reaktif ini adalah dengan melakukan kompensasi daya reaktif, yang bertujuan untuk transportasi daya reaktif pada jaringan tenaga listrik dan menjaga agar profil tegangan selalu berada pada batas-batas yang diijinkan. Alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan memasang kapasitor shunt. Kapasitor shunt berguna sebagai sumber daya reaktif tambahan untuk mengkompensasi daya induktif akibat pembebanan tersebut. emasangan kapasitor shunt ini diharapkan akan dapat menurunkan rugirugi yang berarti penghematan energi listrik, peningkatan kualitas tegangan dan kualitas daya (power quality), serta penurunan arus listrik yang mengalir pada beban sehingga dapat menambah beban tanpa perlu menambah atau membangun saluran yang baru. Dalam penelitian ini dikaji tentang profil tegangan pada penyulang Susut di Area Jaringan Bali Timur serta studi optimasi penentuan lokasi pemasangan dan kapasitas kapasitor shunt dalam upaya memperbaiki profil tegangan tersebut dengan program Edsa Technical 000 Service ack 3.5. Tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini adalah untuk mengoptimasi lokasi pemasangan dan kapasitas kapasitor shunt agar diperoleh kompensasi daya reaktif sesuai dengan kebutuhan beban sehingga diperoleh profil tegangan yang sesuai dengan standar yang ditetapkan untuk meningkatkan kualitas daya listrik.. TINJAUAN USTAKA. Sistem Jaringan Distribusi Jaringan transmisi dan jaringan distribusi pada sistem tenaga listrik berfungsi sebagai sarana untuk menyalurkan energi listrik yang dihasilkan dari pusat pembangkit ke pusat-pusat beban. Sistem jaringan distribusi dapat dibedakan menjadi dua yaitu sistem jaringan distribusi primer dan sistem jaringan distribusi sekunder. Kedua sistem tersebut dibedakan berdasarkan tegangan kerjanya. ada umumnya tegangan kerja pada sistem jaringan distribusi primer Teknologi Elektro 45 Vol. 7 No. Januari - Juni 008

2 adalah 0 kv, sedangkan tegangan kerja pada sistem jaringan distribusi sekunder adalah 0/380 V. Gambar. Tipikal jaringan distribusi. engaruh Kapasitor Shunt Kapasitor ini terhubung paralel pada jaringan maupun langsung pada beban, dengan tujuan untuk perbaikan faktor daya, sebagai pengatur tegangan maupun untuk mengurangi kerugian daya dan tegangan pada jaringan (Deshpande, 990). Dengan anggapan tegangan sisi beban dipertahankan konstan, maka dari gambar dibawah ini terlihat bahwa dengan menggunakan kapasitor shunt, maka arus reaktif yang mengalir pada saluran akan berkurang. Hal ini menyebabkan berkurangnya penurunan tegangan pada saluran, sehingga diperlukan tegangan sumber yang tidak berbeda jauh dengan tegangan terima. Berkurangnya arus reaktif yang mengalir pada saluran akan memberikan penurunan rugi-rugi daya dan rugi-rugi energi Kapasitor shunt mensuplai daya reaktif atau arus untuk menetralkan komponen keluaran antar phasa dari arus yang diperlukan oleh beban induktif. enurunan tegangan pada penyulang, atau pada saluran transmisi yang pendek dengan faktor daya yang ketinggalan dapat dihitung sebagai berikut : VD = I R R + I X X L volt ( ) Dengan R = resistansi total pada penyulang (ohm) X L = reaktansi induktif total pada penyulang (ohm) I R = komponen daya nyata dari arus (A) I X = komponen reaktif arus tertinggal (A) Ketika kapasitor ditempatkan pada akhir saluran, resultan drop tegangannya dapat dihitung : VD = I R R + I X X L - I C X L Volt ( ) Dimana Ic = komponen reaktif dari arus yang mendahului. erbedaan antara penurunan tegangan yang dihitung berdasarkan persamaan () dan () adalah kenaikan tegangan pada pemasangan kapasitor yang dapat ditunjukkan sebagai berikut : VR = I C X L Volt (3) enurunan tegangan maksimum pada beban penuh, yang dibolehkan dibeberapa titik pada jaringan distribusi adalah (SLN 7 :987) : a. SUTM = 5 % dari tegangan kerja bagi sistem radial b. SKTM = % dari tegangan kerja pada sistem spindel dan gugus. c. Trafo distribusi = 3 % dari tegangan kerja d. Saluran tegangan rendah = 4 % dari tegangan kerja tergantung kepadatan beban. e. Sambungan rumah = % dari tegangan nominal. ( a ).3 Koreksi Faktor Daya embangkitan daya reaktif pada perencanaan daya dan pensuplaiannya ke beban-beban yang berlokasi pada jarak yang jauh adalah tidak ekonomis, tetapi dapat dengan mudah disediakan oleh kapasitor yang ditempatkan pada pusat beban. ( b ) Gambar. (a) Rangkaian ekivalen dari saluran, Diagram vektor pada rangkaian pada faktor daya lagging (b) tanpa kapasitor dan (c) dengan kapasitor shunt Gambar 3. Ilustrasi dari perubahan daya nyata dan daya reaktif sebagai fungsi dari faktor daya beban, pada daya semu dari beban konstan. Dengan mengasumsikan beban disuplai dengan daya nyata (aktif), daya reaktif tertinggal Q, dan daya semu S, pada faktor daya tertinggal bahwa : Teknologi Elektro 46 Vol. 7 No. Januari - Juni 008

3 atau dari pemasangan kapasitor shunt sama dengan harga cosθ = ( 4) dari kapasitor tersebut. S Keuntungan lain dari pemasangan kapasitor adalah perbaikan faktor daya dan pengurangan kva yang mengalir pada jaringan. Dengan pemasangan cosθ = kapasitor akan (.9 mengurangi ) daya reaktif yang ( + Q ) ketika kapasitor shunt Q c kva dipasang pada beban, faktor daya dapat ditingkatkan dari cos θ ke cos θ, dimana : cos θ = ( 5) S = ( + Q ) = + Q [ ( ) ] ( a ) Q c mengalir pada jaringan, sehingga dengan daya nyata yang sama, maka faktor daya akan lebih besar dan kva akan berkurang. Keadaaan ini ditunjukkan pada gambar berikut Gambar 5. Vektor diagram pada jaringan dengan pemasangan (. ) kapasitor Faktor daya merupakan perbandingan antara daya nyata (kw) dan daya semu (kva). Dari gambar dapat ditentukan bahwa faktor daya sebelum dan sesudah dipasang kapasitor adalah cos θ dan cos θ new. Setelah dipasang kapasitor, faktor daya menjadi : Q Qc f new =cos arc. tan ( 6 ) Dari gambar.8 dapat ditentukan : [ ] S = ( ) ( Q ) + ( 7 ) Q c Dengan adanya perbaikan faktor daya, akan timbul pengurangan kva yang mengalir pada jaringan. Sehingga pada jaringan tersebut dapat ditambahkan sejumlah kva sebesar pengurangan kva yang terjadi. Tambahan kva ini merupakan selisih antara kva sebelum dipasang kapasitor dengan kva setelah dipasang kapasitor. ( b ) Gambar 4. Ilustrasi dari koreksi faktor daya Oleh karena itu, dapat dilihat dari gambar 4.b, daya semu dan daya reaktif menurun dari S kva menjadi S kva dan dari Q kvar menjadi Q kvar. Tentu saja, penurunan hasil daya reaktif dalam penurunan arus total, yang disebabkan oleh turunnya penyusutan daya. Sehingga koreksi faktor daya menghasilkan penghematan ekonomi dalam pengeluaran yang besar dan pengeluaran bahan bakar melalui pengurangan kapasitas kilovoltampere dan penurunan rugi daya dalam semua perlengkapan diantara titik yang dipasang kapasitor dan rencana sumber daya, termasuk saluran distribusi, trafo di gardu induk dan saluran transmisi. eningkatan faktor daya adalah titik dimana keuntungan ekonomis ΔD = S S { } Q c ( 8 ) dimana : ΔD = kva tambahan S = kva saat beban puncak sebelum dipasang kapasitor S = kva saat beban puncak setelah dipasang = S + ( Q ) kapasitor = daya aktif Q = daya reaktif Q c = rating dari kapasitor (kvar) Dengan adanya kva tambahan pada suatu jaringan, akan menambah jumlah beban yang dapat ditanggung oleh jaringan tersebut. Hal ini merupakan suatu keuntungan, karena apabila ada tambahan Teknologi Elektro 47 Vol. 7 No. Januari - Juni 008

4 beban pada daerah dimana jaringan itu berada, daya listriknya dapat dikirim melalui jaringan tersebut tanpa perlu membangun jaringan yang baru..4. Optimasi Lokasi dan Kapasitas Kapasitor Shunt ada Jaringan Distribusi rimer Radial Aplikasi dari kapasitor shunt pada jaringan distribusi primer radial memberikan keuntungan secara ekonomis baik dari segi kegunaan maupun pelayanan. Secara umum salah satu keuntungan dari pemasangan kapasitor adalah penurunan kva pada gardu induk. enurunan kva setelah pemasangan kapasitor ini ditunjukkan dengan rumus (Edsa Users Guide, 000) : S ( + ( Q ) ) = S (9) r Q c dengan : S = kva sebelum dipasang kapasitor = komponen daya aktif (kw) Q = komponen daya reaktif Qc = rating kapasitor (kvar) rogram ini juga bertujuan untuk meminimalkan biaya :. pembangkitan kva di Gardu Induk. rugi-rugi energi 3. investasi kapasitor 3. METODE Sebelum melakukan optimasi lokasi dan kapasitas kapasitor shunt dengan bantuan program Edsa, maka terlebih dahulu dilakukan analisa aliran daya dengan tujuan untuk mengetahui besarnya (daya aktif), Q (daya reaktif), S (daya semu), f, loss, Q loss, tegangan masing-masing bus dan beban serta pelanggarannya. Selanjutnya dilakukan perhitungan optimasi lokasi dan kapasitas kapasitor, untuk membandingkan hasil sebelum dan sesudah dipasangnya kapasitor pada penyulang tersebut. rogram ini menggunakan data input yang sama seperti program aliran daya. roses dari program optimasi ini dimulai dengan mengisi data-data yang ditampilkan oleh step-step program, seperti berikut ini (Edsa Users Guide, 000) :. Cost of demanded power (kva/year) at the substation. Cost of energy losses ($/kwh) 3. Cost of capacitor annual investment ($/kvar/year) 4. Load demand faktor 5. Low load level percentage, 6. ermitted voltage increase in % at the low load level, 7. The maximum iteration number of the load flow calculation 8. The tolerance of the load flow calculations, 9. The from bus and to bus ID code for the primary feeder along which the capacitor bank will be place, 0. Capacitor standar size, 4. EMBAHASAN 4. Data-Data Sistem Kelistrikan di Area Jaringan Bali Timur Area Jaringan Bali Timur melayani daerah di Kabupaten Gianyar, Bangli, Klungkung dan Karangsem. Sampai saat ini energi listrik disuplai dari Gardu Induk Gianyar dan Gardu Induk Amlapura. anjang penyulang mencapai,85 kms. enyulang ini menggunakan penghantar dengan jenis yang berbeda-beda. Data-data penghantar tersebut seperti berikut ini : Tabel. Data-data penghantar No Jenis enghantar R X KHA XLE 40 mm 0,600 0, MVTIC 0,6500 0, A3C 50 mm 0,3750 0, A3C 95 mm 0, , A3C 70 mm 0, , rofil tegangan merupakan indikator kualitas tenaga listrik. Untuk perbaikan kualitas tenaga listrik sangat dibutuhkan analisis profil tegangan. Analisis ini dilakukan untuk mengetahui profil tegangan yang terjadi pada tiap-tiap bus sehingga dapat diketahui kualitas tegangan pelayanan di konsumen. Beban (kva) enyulang Susut Jam Beban (kva) Gambar 5. Grafik pola beban harian enyulang Susut Drop tegangan terbesar pada penyulang Susut terjadi pada pukul 0.00 yaitu sebesar 9 V (3,33 %) pada beban KN 048. Beban puncak terjadi pada pukul 0.00 serta beban terendah terjadi pada pukul Dari hasil eksekusi program didapat bahwa rugi-rugi terbesar pada penyulang Susut sebesar 549,607 kw atau 9,7 % dari besarnya sumber yaitu 565,077 kw. Dari analisis profil tegangan didapatkan pada pukul , , dan pukul tidak ada tegangan di bawah standar, tetapi Teknologi Elektro 48 Vol. 7 No. Januari - Juni 008

5 pada pukul dan pukul terdapat tegangan yang berada pada batas-batas yang tidak diijinkan ( 50 bus) Dari hasil analisis profil tegangan dapat dilihat grafik salah satu beban seperti berikut ini : Gambar 6. rofil tegangan bus beban KN 048 Gambar 7. rofil beban bus beban KN 048 Dari analisis profl tegangan dapat disimpulkan bahwa kualitas daya penyulang susut masih rendah. Beban-beban yang mengalami penurunan tegangan terbesar pada penyulang diatas berada pada ujungujung jaringan. Sebelum melakukan eksekusi program optimasi, maka terlebih dahulu dilakukan perhitungan perhitungan dan asumsi terhadap data yang akan dientry sesuai dengan parameter-parameter yang telah ditentukan seperti berikut ini :. Cost of Substation KVA ($/kva/year) Berdasarkan harga Transfer Tenaga Listrik tahun 005 T. LN (ersero) Distribusi Bali bahwa harga kapasitas tenaga listrik sebesar Rp. 38,653/kW. Dengan melakukan perhitungan besarnya daya yang terealisasi pada tahun 005, yang didapat dari pola pembebanan harian pada penyulang Susut, maka besarnya cost of substation adalah : S rata-rata = 43,965 kva = S rata-rata x f (0,9) = 43,965 x 0,9 = kw Total harga = 09,566 x Rp.38,653 = Rp. 475,449/kW = Rp. 5863,833/kVA Dengan mengasumsikan besarnya $ = Rp ,- maka cost of substation sebesar $5, = $ 6/kVA/year.. Energy Lost Cost ($/kwh) Dapat dihitung dengan menggunakan data Harga Transfer Tenaga Listrik Tahun 005 kolom 3 pada lampiran 8,yaitu Rp/kWh yang besarnya 57,4. Karena ditentukan dengan menggunakan $/kwh maka besarnya energy lost cost menjadi $ 0,05/kWh. 3. Capacitor Investment Cost ($/KVAR/year) Capacitor Investment Cost dapat ditentukan sebagai berikut. Berdasarkan data bahwa untuk kapasitor dengan kapasitas 900 kvar harganya sebesar 70 juta rupiah, yang berarti setiap kvarnya sebesar Rp.88888,8889. Dengan mengasumsikan umur kapasitor selama 5 tahun maka yang harus diinvestasi setiap tahunnya sebesar $,6. 4. Load Demand Factor Diasumsikan sebesar 0,95 5. Low Load Level ercent Diasumsikan sebesar 60 % 6. ermitted Voltage Up % at Low Load Level Sesuai dengan standar tegangan yang diijinkan pada jaringan tegangan menengah maka ditentukan besarnya yaitu 5 %. ada program ini sebelum running program dilakukan maka ditentukan pula ending bus of main feeder line yaitu penempatan kapasitor pada suatu bus pada feeder utama. ada penyulang Susut bus akhir pada main feeder adalah bus 85A. Sehingga program Edsa Technical 000 Service ack 3.5 akan mengoptimasi lokasi pemasangan kapasitor disepanjang main feeder yaitu dari sumber ke bus 85A. Demikian pula untuk besarnya kapasitas kapasitor, dapat ditentukan berdasarkan kapasitor yang ada dipasaran. Dalam penelitian ini kapasitas kapasitor yang akan digunakan yaitu 300 kvar. Selanjutnya eksekusi/running program dapat dilakukan. Dari output program optimasi tersebut dapat dilihat terjadi penurunan, Q, S, loss dan Q loss. Dengan injeksi kapasitor sebesar 00 kvar pada penyulang Susut dapat meningkatkan faktor daya (cos φ) menjadi 0,98. Hasil ini cukup signifikan dibandingkan sebelum dipasangnya kapasitor yang memiliki faktor daya sebesar 0,86. Diketahui juga bahwa posisi kapasitor yang paling optimum adalah pada jarak 34,0 km dari sumber atau jika pada diagram segaris yang telah digambar pada program Edsa Technical 000 Service ack 3.5 berada pada bus 70A. ada hasil program ini juga dapat diketahui besarnya penghematan yang dapat dilakukan sebesar $ 586,5/year atau 48,5 juta rupiah setiap bulan. Teknologi Elektro 49 Vol. 7 No. Januari - Juni 008

6 Capacitor size: KVAR KVAR X 7 Capacitor location (from source substation): 340 Meter 34.0 KM Substation power output, power factor and network loss =================================== Before addition After addition of capacitor of capacitor (KW) Q (KVAR) S (KVA) F (%) LOSS (KW) (LOSS (KVAR) =============================================== Economic Benefits =============================================== Before addition After addition Savings of capacitor of capacitor KVA Charge cost ($/Year) Energy loss cost ($/Year) Capacitor cost ($/Year) Total cost ($/Year) ============================================== Selanjutnya dari hasil optimasi diatas, lokasi dan kapasitas kapasitor yang sudah ditentukan dipasang pada keadaan sebenarnya. Hal ini bertujuan untuk mengetahui hasil analisis aliran dayanya. Dengan membuat suatu file project yang baru dengan pemasangan kapasitor dari penyulang Susut ini, maka diperoleh hasil secara umum aliran dayanya seperti berikut ini : Summary of Total Generation and Demand ====================================== (KW) Q(KVAR) S(KVA) F(%) Swing Bus(es): Generators : Total Load : Total Loss : Mismatch : Dengan melakukan langkah-langkah program optimasi seperti diatas serta hasil yang didapatkan maka dapat dibuat tabel perbandingan antara program Edsa Technical 000 Service ack 3.5 mengenai ukuran kapasitor dengan aliran daya (metode Newton Raphson) sebagai berikut : Tabel. Hasil analisis enyulang Susut sebelum dipasang kapasitor Sebelum dipasang kapsitor Load Flow Cap. Sizing % Kesalahan (kw) 565,08 565,08 0 % Q (kvar) 338,4 338,4 0 % S (kva) 654,08 654,09 0,000 f (%) 86,77 86,77 0 % loss (kw) 549,6 549,6 0 % Q loss (kvar) 756,8 756,8 0 % Tabel 3. Hasil analisis enyulang Susut setelah dipasang kapasitor Setelah dipasang kapsitor Load Flow Cap. Sizing % Kesalahan (kw) 5535,3 5535,3 0 % Q (kvar) 8,58 8,55 0,007 % S (kva) 5647,0 5647,0 0 % f (%) 98,0 98,0 0 % loss (kw) 43,66 43,58 0,0 % Q loss (kvar) 599,3 604,05 0,8 % Dari tabel diatas dapat disimpulkan bahwa program optimasi penentuan lokasi dan kapasitas kapasitor cukup akurat dengan 0,8 % (persentase kesalahan terbesar). 5. SIMULAN Dari hasil pembahasan pada bab sebelumnya dapat maka disimpulkan sebagai berikut : Dengan menggunakan aplikasi program Edsa Technical 000 Service ack 3.5 didapatkan lokasi dan kapasitas kapasitor shunt yang paling optimum pada penyulang Susut adalah pada jarak 34,0 km dari sumber atau pada bus 70 A dengan kapasitas sebesar 00 kvar. Kenaikan tegangan pada bus yang memiliki tegangan paling rendah yaitu bus 97A, setelah dipasang kapasitor shunt mencapai 9,070 kv dari tegangan awal 7,946 kv. 6. DAFTAR USTAKA []. Deshpande, MV Electrical ower Sistem Design. New Delhi : Tata McGraw Hill. []. Dugan, McGranaghan, Beaty Electrical ower Sistem Quality. USA : McGraw Hill. [3]. Gonen, T Electric ower Distribution System Engineering. USA : McGraw Hill. [4]. Widastra, W Analisis Kompensasi daya Reaktif Dengan emasangan Capacitor Bank ada Sistem Kelistrikan erusahaan Jawatan RSU Sanglah Denpasar. Denpasar : Tugas Akhir Universitas Udayana. [5]. Zukhri, Z Analisis Rangkaian. Yogyakarta : J & J Learning. [6] Object-Oriented Load Flow Voltage rofile rogram. Edsa User Guide. San Diego USA : Edsa Micro Corporation. [7] Radial rimary Distribution Feeder Capacitor Sizing and Location Optimization lus Cost Minimization rogram Load Flow Methodology. Edsa User Guide. San Diego USA : Edsa Micro Corporation. [8] Studi engembangan Sistem Distribusi Bali. T. LN (ersero) Jasa Enjiniring. Jakarta : Laporan Akhir. [9] Spesifikasi Desain Untuk Jaringan Tegangan Menengah (JTM) Dan Jaringan Tegangan Rendah (JTR). SLN 7. Jakarta : T. LN (persero). Teknologi Elektro 50 Vol. 7 No. Januari - Juni 008