Abstrak. Kata kunci: kualitas daya, kapasitor bank, ETAP 1. Pendahuluan. 2. Kualitas Daya Listrik

Transkripsi

1 OPTIMALISASI PENGGUNAAN KAPASITOR BANK PADA JARINGAN 20 KV DENGAN SIMULASI ETAP (Studi Kasus Pada Feeder Srikandi di PLN Rayon Pangkalan Balai, Wilayah Sumatera Selatan) David Tampubolon, Masykur Sjani Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan INDONESIA Abstrak Permintaan kebutuhan listrik yang semakin meningkat, baik dari segi kuantitas maupun kualitas menuntut perusahaan utilitas listrik di Indonesia untuk dapat menjawab permintaan tersebut dengan melakukan kontrol kualitas pelayanan listrik. Adapun beberapa parameter penting yang harus diperhatikan guna menjaga kualitas daya diantaranya adalah faktor daya dan jatuh tegangan. Salah satu solusi perbaikan faktor daya dan jatuh tegangan adalah dengan penggunaan kapasitor bank. Tulisan ini membahas mengenai penggunaan kapasitor secara optimal, serta penentuan lokasi, ukuran, dan jumlah unit kapasitor. Dalam pembahasan dikaji kelayakan operasi dan kelayakan finansial penggunaan kapasitor pada daerah yang diteliti. Untuk membantu pengambilan keputusan manajemen pengadaan kapasitor bank dilakukan metode scoring yang memberikan penilaian kuantitatif terhadap kelayakan teknik dan finansial. Simulator ETAP digunakan untuk mengetahui efektifitas penggunaan kapasitor bank tersebut. Kata kunci: kualitas daya, kapasitor bank, ETAP 1. Pendahuluan Mengingat pentingnya energi listrik bagi kehidupan orang banyak maka suatu sistem tenaga listrik harus bisa melayani pelanggan secara baik, dalam arti sistem tenaga listrik tersebut aman dan handal yaitu tidak membahayakan manusia dan lingkungannya serta dapat melayani pelanggan secara memuaskan misalnya dari segi kontinuitas. Selain itu, meningkatnya kesadaran masyarakat akan kualitas daya listrik yang baik menjadi alasan perlunya perusahaan utilitas memberi perhatian lebih dalam hal tersebut. Adapun beberapa parameter penting yang harus diperhatikan dalam sistem distribusi guna menjaga kualitas daya antara lain adalah masalah harmonisa, fluktuasi tegangan, frekwensi, faktor daya, jatuh tegangan, dan beberapa faktor lainnya[1]. Pembahasan akan difokuskan pada faktor daya dan jatuh tegangan mengingat lokasi yang akan menjadi objek penelitian memiliki faktor daya yang buruk dan juga jatuh tegangan yang besar akibat panjang dari sistem distribusi itu sendiri. 2. Kualitas Daya Listrik 2.1 Faktor Daya Faktor daya merupakan salah satu indikator baik buruknya kualitas daya listrik. Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt) dengan daya semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya semu/daya total. Peningkatan daya reaktif akan meningkatkan sudut antara daya aktif dan daya semu sehingga dengan daya aktif yang tetap akan mengakibatkan peningkatan daya semu yang akan dikirimkan. Dengan kata lain akan menurunkan efisiensi dari sistem distribusi ketenagalistrikan. Faktor daya juga disimbolkan sebagai cos θ, dimana: cos θ = pf =... (1) Nilai faktor daya tertinggi adalah 1. Sistem dengan faktor daya seperti ini memiliki efisiensi yang sangat baik dimana hal ini berarti daya total/ semu (VA) yang dibangkitkan digunakan -62- DTE FT USU

2 secara utuh pada beban resistif (Watt). Dalam hal ini nilai daya total/ semu (VA) sama dengan daya aktif (Watt). 2.2 Jatuh Tegangan Jatuh tegangan merupakan besarnya tegangan yang hilang pada suatu penghantar. Jatuh tegangan terjadi karena mengalirnya arus melalui tahanan atau impedansi dari peralatan listrik yang dilalui sistem tersebut. Jatuh tegangan pada saluran tenaga listrik secara umum berbanding lurus dengan panjang saluran dan beban serta berbanding terbalik dengan luas penampang penghantar. Besarnya jatuh tegangan dinyatakan baik dalam persen atau dalam besaran Volt. Besarnya batas atas dan bawah ditentukan oleh kebijaksanaan perusahaan kelistrikan. Dalam hal ini PLN membatasi tegangan minimun pada batasan 10% dan tegangan maksimumnya tidak lebih dari 5% dari tegangan nominalnya. Beban-beban yang terdapat pada sistem tenaga listrik bukanlah bersifat resistif murni melainkan bersifat resistif-induktif. Beban resistif akan menyerap daya aktif, sedangkan beban induktif akan menyerap daya reaktif yang dihasilkan oleh pembangkit. Penyerapan daya reaktif oleh beban induktif ini akan menyebabkan jatuh tegangan sehingga terjadi hilangnya tegangan pada saluran selama proses pendistribusian dan mengakibatkan nilai tegangan disisi penerima akan berbeda dengan nilai tegangan pada sisi pengirim. Persamaan jatuh tegangan dapat dilihat pada persamaan berikut : V p = IR cosθ + IX sinθ... (2) V p = R + X... (3) Keterangan : R = resistansi saluran X = reaktansi saluran P = daya aktif Q = daya reaktif Dari persamaan dapat terlihat, nilai jatuh tegangan ditentukan oleh beberapa faktor, yaitu daya aktif (P), resistansi dan reaktansi saluran (R dan X) serta daya reaktif (Q). Pengaturan daya aktif erat kaitannya dengan pengaturan frekuensi sistem. Sedangkan pengaturan daya reaktif akan mempengaruhi nilai tegangan. Oleh karena itu dengan melakukan pengaturan nilai daya reaktif kita dapat mengatur nilai tegangan. 2.3 Kapasitor Bank Kapasitor bank memberikan manfaat yang besar untuk kinerja sistem distribusi. Dimana kapasitor bank dapat mengurangi losses, memperbesar kapasitas layanan dan mengurangi jatuhc tegangan [2]: 1. Rugi-rugi jaringan dengan memberi kompensasi daya reaktif pada motor dan beban lainnya dengan power faktor yang rendah, kapasitor akan menurunkan arus jaringan. Penurunan arus ini akan mengurangi rugi-rugi I 2 R jaringan secara signifikan. 2. Kapasitas penurunan arus di jaringan ini lebih lanjut akan memperbesar kapasitas pelayanan dimana, jaringan yang sama akan dapat melayani beban yang lebih besar. 3. Drop tegangan kapasitor bank dapat mengurangi voltage drop dimana dengan kompensasi daya reaktif akan meningkatkan menaikkan level tegangan jaringan. Kapasitor shunt, adalah kapasitor yang pemasangannya dihubungkan paralel dengan saluran dan secara luas digunakan pada sistem distribusi. Kapasitor shunt mencatu daya reaktif atau arus yang menentang komponen arus beban induktif. Gambar 1 dan 2 masing-masing menggambarkan bagan/ diagram satu garis dan fasor diagram bila saluran tersebut dipasang kapasitor shunt di ujung saluran. Z = R + jx L I I I C X C Gambar 1. Diagram satu garis Gambar 2. Fasor Diagram -63- DTE FT USU

3 Bila kapasitor dipasang pada ujung penerima dari saluran, seperti yang terlihat pada gambar 1 dan 2, secara pendekatan jatuh tegangan sekarang menjadi : VD = I R R + I X X L - I C X L... (4) Dimana : R = tahanan total dari sirkuit penyulang X L = reaktansi induktif total dari penyulang I R = komponen arus aktif I X = komponen arus reaktif lagging = komponen arus reaktif leading I C Adapun metode pemasangan yang diterapkan pada penelitian ini adalah dengan kompensasi shunt dimana alasan utama pemilihannya adalah masalah flexibilitas penggunaan kapasitor itu sendiri[3]. 3. Metode Penelitian Berikut ditampilkan diagram alir metode penelitian yang dilakukan. Gambar 3. Diagram alir metode penelitian Gambar 3 menunjukkan diagram alir penelitian yang dilaksanakan. Dalam melakukan penelitian dibutuhkan data-data pendukung untuk memungkinkan dilakukannya analisa aliran daya. Data-data yang dibutuhkan untuk membentuk one line diagram pada ETAP antara lain data daya terpasang/ pemakaian, data beban trafo, dan juga data jaringan. Data inilah yang dikompilasikan pada ETAP, dimana dengan data ini akan dilakukan simulasi sesuai dengan situasi/ keadaan dan juga spesifikasi peralatan di lapangan(mulai dari panjang jaringan, jenis kabel, spesifikasi trafo, beban, pf (faktor daya), dll). Selanjutnya dijalankan proses Load Flow Analysis pada ETAP. Hasil dari Load Flow Analysis inilah yang akan menjadi dasar dalam melakukan penentuan lokasi, ukuran, dan jumlah unit kapasitor yang akan digunakan. Berdasarkan hasil load flow yang diperoleh, diisikan data kapasitor yang digunakan dan akan dianalisis kembali dengan menggunakan ETAP Power Station. Dengan menjalankan program Load Flow Analysis akan didapatkan load flow jaringan (setelah pemasangan kapasitor bank) -64- DTE FT USU

4 mulai dari aliran daya, rugi-rugi, drop tegangan, dan lain sebagainya. Hasil load flow ini (setelah pemasangan kapasitor bank) akan dibandingkan dengan load flow profile sebelum pemasangan kapasitor bank dan akan dikaji berdasarkan kebijakan kelayakan operasi dan kebijakan kelayakan finansial. Apabila sudah memenuhi maka dapat dikatakan bahwa penggunaan kapasitor bank dalam hal perbaikan kualitas tegangan, faktor daya, dan juga mengatasi rugi-rugi jaringan layak untuk dilakukan. 4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Data Aliran Daya Feeder Srikandi Sebelum Pemasangan Kapasitor Bank Pada Tabel 1 ditunjukkan 10 lokasi/ bus pada jaringan srikandi yang memiliki tegangan TM terburuk sebelum dilakukannya pemasangan kapasitor bank. Tabel 1. Sampling tegangan jaringan yang paling buruk no bus nominal (kv) Tegangan Actual kv (%) 1 Bus177 20,000 17, ,126 2 Bus179 20,000 17, ,136 3 Bus176 20,000 17, ,141 4 Bus174 20,000 17, ,158 5 Bus173 20,000 17, ,159 6 Bus171 20,000 17, ,179 7 Bus169 20,000 17, ,233 8 Bus188 20,000 17, ,233 9 Bus186 20,000 17, , Bus168 20,000 17, ,236 Dari data terlihat bahwa tegangan JTM yang terukur berada dibawah standar tegangan yang dikeluarkan perusahaan listrik negara (PLN), yaitu dibawah 10 % dari tegangan nominalnya. Dari analisa yang dilakukan melalui ETAP maka diperoleh data faktor daya dan rugi-rugi jaringan sebelum pemasangan kapasitor bank yang tertera pada Tabel 2. Tabel 4.2 Data Power Faktor dan Rugi-rugi MW Mvar MVA % PF Source : 3,322 2,479 4,145 80,14 T.Demand: 3,322 2,479 4,145 80,14 T.Motor Load: 2,282 1,414 2,684 85,00 T.Static Load: 0,758 0,469 0,891 85,00 Rugi-rugi: 0,283 0,596 Untuk memperbaiki faktor daya jaringan menjadi 0,9 maka dibutuhkan kapasitas kapasitor bank dengan perhitungan sebagai berikut: Cos θ 2 = 0,9 θ 2 = Cos -1 0,9 Q 2 = P x Tan θ 2 = 3,322 Tan (Cos -1 0,9) = 3,322 Tan 28,842 o = 3,322 x 0,484 = 1,608 Mvar Besar kapasitor yang harus dipasang pada jaringan : Q c = Q 1 Q 2 = (2,479-1,608) Mvar = 0,871 Mvar atau 871 kvar Jadi untuk perbaikan dari pf 0,8 ke 0,9 dibutuhkan 871 kvar. Untuk itu, kapasitor yang digunakan adalah kapasitor dengan kapasitas total 900 kvar. 4.2 Analisa Teknis Untuk mengetahui efektifitas penggunaan kapasitor bank, dilakukan analisa teknis terhadap hasil simulasi yang dilakukan pada feeder srikandi. Analisa teknis dilakukan dengan menggunakan dua metode utama yaitu metode jarak dan metode aliran daya reaktif. Pada masing-masing metode tersebut dijalankan 6 buah dengan variasi jumlah dan lokasi kapasitor bank yang dipasang. Sehingga diperoleh 12 variasi data hasil simulasi yang akan dikaji untuk mendapatkan metode dan terbaik dalam hal teknis dan finansial. Dengan demikian diharapkan pemasangan kapasitor bank pada feeder srikandi menghasilkan perbaikan paling optimal disisi teknis dan memenuhi kajian kelayakan finansial DTE FT USU

5 a. Metode Jarak [4] Berdasarkan metode jarak maka lokasi terbaik untuk menempatkan 1 unit kapasitor yaitu pada jarak 2/3 dari panjang total feeder utama. Generalisasi dari metode jarak ini untuk n jumlah kapasitor yaitu, jarak untuk tiap kapasitor harus sama dimulai dari jarak 2/(2n+1) dari total panjang jaringan dari gardu sampai ke ujung saluran. Kemudian menambahkan unit kapasitor selebihnya pada interval 2/(2n+1) dari total panjang saluran. Representasi dari keenam dengan menggunakan metode jarak dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3 Profil perbaikan tegangan dan rugirugi tiap (metode jarak) rugi-rugi jaringan total Tegangan perbaikan tegangan no Tiap total tiap (kv) 1 18,073 total (kv) 230,6 2 18, ,4 3 18, ,1 18, , ,3 5 18, ,8 6 18, ,8 b. Metode Aliran Daya Reaktif [5] 235,5 Berdasarkan metode aliran daya reaktif maka lokasi terbaik untuk menempatkan kapasitor yaitu dengan menempatkan kapasitor pada titik dimana daya reaktif yang mengalir sama dengan setengah dari kapasitas kapasitor yang digunakan. Untuk penggunaan kapasitor lebih dari 1 unit maka setelah penempatan kapasitor bank yang pertama, lakukan load flow analysis untuk mengetahui profil aliran daya jaringan. Setelah melakukan pembacaan terhadap load profile yang baru, tempatkan kapasitor bank kedua pada titik dimana daya reaktif yang mengalir sama dengan setengah kapasitas kapasitor tersebut, dan begitu selanjutnya untuk jumlah unit kapasitor lainnya. Representasi dari keenam dengan menggunakan metode aliran daya reaktif dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4 Profil perbaikan teg. dan rugi-rugi ratarata tiap (metode aliran daya reaktif) rugi-rugi jaringan total Tegangan perbaikan tegangan no Tiap total tiap (kv) 1 18,150 total (kv) 228,8 2 18, ,4 3 18, ,3 18, , ,3 5 18, ,3 6 18, ,3 4.3 Analisa Finansial 228,4 Analisis kelayakan finansial ini ditujukan untuk mendapatkan terbaik dari keenam variasi yang terdapat pada metode aliran daya reaktif. Secara khusus subbab ini akan menggunakan pendekatan ekonomi atau finansial dalam mencari yang menghasilkan parameter finansial yang paling menguntungkan. Dalam hal ini parameter finansial yang digunakan adalah IRR (Internal Rate of Return) dan BCR (Benefit to Cost Ratio). Hasil analisis terhadap parameter BCR dan IRR dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 5 Nilai IRR dan BCR tiap Skenario no IRR(%) BCR S. 1 52,2% 4,74 S. 2 49,6% 4,50 S. 3 44,2% 4,02 S. 4 36,4% 3,30 S. 5 38,1% 3,46 S. 6 24,4% 2, Scoring System Dari analisa teknis yang dilakukan tampak bahwa metode aliran daya reaktif lebih efektif daripada metode jarak. Selanjutnya akan dilakukan perbandingan pada keenam yang menggunakan metode aliran daya reakif dalam metode pemasangan kapasitor bank pada feeder srikandi dengan metode scoring DTE FT USU

6 Scoring terhadap parameter tegangan, rugirugi, IRR, dan BCR ditunjukkan masing-masing pada Tabel 6, Tabel 7, Tabel 8 dan Tabel 9. Tabel 6. Scoring parameter tegangan 1 18,100 18, ,121 18, ,141 18, ,160 18, ,180 18,199 5 Tabel 7. Scoring parameter rugi-rugi 1 228,01 228, ,21 228, ,41 228, ,61 228, ,81 229,00 1 Tabel 8. Scoring parameter IRR 1 20,0 26, ,0 33, ,0 40, ,0 47, ,0 54,0 5 Tabel 9. Scoring parameter BCR 1 2,10 2, ,70 3, ,30 3, ,90 4, ,50 5,00 5 Berikut ini ditampilkan scoring terhadap tiap dengan parameter teknis dan finansial pada Tabel 10. Tabel 10. Scoring terhadap tiap dengan parameter teknis dan finansial 5. Kesimpulan 1. Penggunaan kapasitor bank di jaringan tegangan menengah mampu meningkatkan level tegangan pada ujung-ujung jaringan hingga mencapai range standar PLN yaitu pada -10% dan +5% dari tegangan nominal. Selain itu, diperoleh juga penurunan nilai rugi-rugi daya listrik sebesar 19,33%. 2. Dalam melakukan pemasangannya kapasitor bank perlu memperhatikan karakteristik dan persebaran beban pada jaringan tersebut sehingga diperoleh metode yang sesuai. 3. Dari dua metode penempatan kapasitor bank yaitu metode aliran daya reaktif dan metode jarak terlihat bahwa metode aliran daya reaktif lebih sesuai digunakan dalam menentukan lokasi penempatan kapasitor bank di feeder Srikandi yang memiliki distribusi beban tidak merata 4. Berdasarkan kajian kelayakan teknikal dan finansial didapatkan bahwa penggunaan kapasitor yang optimal adalah dengan Daftar Pustaka [1] Dugan, Roger C. Electrical Power System Quality. New York : The McGraw-Hill Companies, Inc ; [2] T.A Short. Electric Power Distribution Hand Book. USA : CRC Press LLC ; [3] Gonen, Turan. Electric Power Distribution System Engineering. New York : Mc Grawhill ; [4] Neagle, N. M. and Samson, D. R. Loss Reduction from Capacitors Installed on Primary Feeders. AIEE Transactions, vol. 75, pp , Part III, October [5] Grainger, J. J. and Lee, S. H. Optimum Size and Location of Shunt Capacitors for Reduction of Losses on Distribution Feeders. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-100, no. 3, pp , March DTE FT USU