PERENCANAAN HIGH PASS DAN SINGLE TUNED FILTER SEBAGAI FILTER HARMONISA PADA SISTEM KELISTRIKAN ESP DI PT MEDCO E&P INDONESIA

Transkripsi

1 PERENANAAN HIGH PASS DAN SINGE TUNED FITER SEBAGAI FITER HARMONISA PADA SISTEM KEISTRIKAN ESP DI PT MEDO E&P INDONESIA Muhammad Agung Purwanto 1, Ir. Agung Warsito, DHET., Ir. Agung Nugroho, M.Kom. 3 Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Semarang Jl.Prof. Soedarto SH, Kampus UNDIP Tembalang, Semarang 5075, Indonesia Muhammadagungpurwanto@gmail.com Abstrak PT Medco E&P Indonesia merupakan salah satu perusahaan yang bergerak dalam bidang eksplorasi dan produksi minyak dan gas bumi. Pada penelitian ini, akan dibahas metode pengangkatan buatan menggunakan Electrical Submersieble Pump. Pompa esp ini dikopel dengan sebuah motor induksi 3 fasa. Dalam pengoperasian motor esp ini diperlukan sebuah peralatan elektronika daya berupa VSD untuk mengatur kecepatan putar motor esp. Dampak dari penggunaan VSD ini ialah harmonisa. Harmonisa akan memberikan dampak negatif pada kontrol jaringan maupun pada system seperti rugi rugi histerisis, overheating pada trafo, kerja circuit breaker dan relay menjadi tidak optimal. Metode yang digunakan untuk meminimalisir harmonisa ialah dengan menggunakan filter pasif. Ada jenis filter pasif yang digunakan. Single tuned filter digunakan untuk meminimalisir arus harmonisa yang dominan yaitu pada orde 5 sementara untuk orde harmonisa yang tidak dominan seperti orde 7 dan 11 akan digunakan high pass filter. Hasil simulasi pada software ETAP Power Station versi 1.6 didapat bahwa dengan pemasangan single tuned dan high pass filter dapat menyebabkan nilai THD arus dan THD tegangan turun sesuai dengan standar IEEE Selain itu, dengan pemasangan filter pasif tersebut dapat menurunkan persentase pembebanan pada transformator step-down yang mensuplai VSD. Kata kunci: Filter Pasif, Harmonisa, THD arus, THD tegangan, Variable Speed Drive Abstract PT Medco E&P Indonesia is one of the company that is engaged in the exploration and production of oil and gas. In this study, we discuss the method of artificial lift using Electrical Submersieble Pump. ESP is coupled by a 3- phase induction motor. The operation of ESP motor requires power electronic equipment such as VSD to regulate ESP motor speed. The impact of use VSD is harmonics. Harmonics will have negative impact on network control system as well as the los-hysteresis loss, overheating of transformers and etc. The method used to minimize harmonics by using passive filters. There are two types of passive filter used. Single tuned filter used to minimize dominant harmonic currents that is on the order of 5 while on the order harmonics that are not as dominant as the order of 7 and 11 will use high pass filter. The simulation results on the ETAP 1.6 was found that with the installation single tuned and high pass filter can cause the value of THD current and THD voltage down in accordance with the IEEE Moreover, with the installation of a passive filter can reduce the percentage of load on the transformer step-down the supply VSD. Keywords: Passive filter, Harmonics, THD urrent, THD Voltage, Variable Speed Drive

2 1 PENDAHUUAN Sebagian besar beban beban industri saat ini berupa motor-motor induksi dan peralatan-peralatan elektronika daya. Penggunaan beban-beban tersebut dapat mengakibatkan penurunan faktor daya dan timbulnya harmonisa. Adanya harmonisa akan mengakibatkan kerusakan pada peralatan listrik. Harmonisa dalam sistem kelistrikan ditimbulkan oleh adanya beban-beban converter yang menarik arus non-sinusoidal dari sumber tegangan. Beban yang bersifat seperti demikian dinamakan beban non-linear. PT Medco E&P Indonesia merupakan perusahaan KKKS yang memiliki hak untuk melakukan kegiatan eksplorasi dan eksploitasi, minyak dan gas bumi di Indonesia. Metode yang digunakan dalam proses pengangkatan minyak dari dalam bumi hingga ke permukaan adalah dengan ESP (Electrical Submersieble Pump). Pompa ESP ini dikopel dengan motor induksi 3fasa sangkar tupai. Dalam pengoperasian ESP dibutuhkan VSD sebagai pengatur kecepatan putar motor nya. Peralatan elektronika daya seperti Variable Speed Drive ini merupakan salah satu sumber harmonisa, karena begitu vitalnya pengaruh yang ditimbulkan akibat harmonisa maka diperlukan suatu usaha untuk menekan harmonisa tersebut. Tujuan dari tugas akhir ini adalah melakukan analisa harmonisa dengan software etap 1.6 dan mitigasi harmonisa dengan menggunakan filter pasif jenis single tuned dan high pass filter. Setelah pemasangan filter pasif ini, diharapkan sistem kelistrikan ESP menjadi optimal. Metode Penelitian.1 Key Single ine Diagram kaji Station. Konfigurasi Sistem Kelistrikan ESP Gambar Sistem Konfigurasi ESP Tegangan kerja dari motor esp sebesar 700 V 1.8 kv, dimana dalam pengoperasiannya membutuhkan variable speed drive. Tegangan variable speed drive yang digunakan di luster 35, 36 dan 64 B ialah 0.48 kv sehingga membutuhkan trafo step-up dari 0.48 kv/1.8 kv. Konfigurasi transformator yang digunakan adalah deltawye...3 Flowchart Koreksi Faktor Daya dan Peredaman Harmonisa Untuk memperbaiki faktor daya dan meredam harmonisa pada sistem kelistrikan (Block Rimau Kaji Station A), angkah pertama yang dilakukan adalah mengumpulkan data data yang dibutuhkan, setelah data yang diperlukan untuk penelitian sudah terkumpul selanjutnya melakukan pemodelan sistem kelistrikan seperti memvariasikan tingkat pembebanan pada Motor ESP, membuat single line diagram pada software ETAP Power Station 1.6. Kemudian, melakukan analisa load flow untuk mengetahui konsumsi daya dan faktor daya. angkah selanjutnya adalah melakukan harmonic load flow untuk menganalisa harmonisa yang terjadi pada sistem kelistrikan ESP dan melakukan perhitungan filter sizing untuk menentukan spesifikasi filter pasif (Single Tuned & High Pass Filter) yang akan di install pada bus yang terdapat harmonisa, dan yang terakhir menganalisa nilai THD arus dan tegangan sebelum dan sesudah pemasangan filter. Berikut ini adalah diagram alir/ flowchart yang digunakan pada peneletian : Gambar 1 single line diagram utama Kaji Station

3 Tabel 1. Simulasi harmonisa pada KS 36 keterangan Operasi Rating I rms Primer 1,3 A,88 A I rms Sekunder 56,1 A 10,8 A THDI,79 - THDV 8, Analisa Harmonisa Pada KS 35 Pembebanan Motor ESP 70 Pada bagian ini akan disimulasikan sistem kelistrikan dengan gangguan harmonisa kondisi pembebanan Motor ESP 70. Berikut adalah gambar simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada KS 35 : Gambar 3 Diagram alir langkah langkah peredaman harmonisa 3 HASI DAN ANAISA 3.1 Analisa Harmonisa Arus dan Tegangan Sebelum Pemasangan Filter Analisa Harmonisa Pada KS 36 Pembebanan Motor ESP 50 Pada bagian ini akan disimulasikan gangguan harmonisa kondisi pembebanan Motor ESP 50. Berikut adalah gambar simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada KS 36 : Gambar 6 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 35 Gambar 7 Harmonisa tegangan pada KS 35 Tabel merupakan hasil simulasi harmonisa yang terjadi pada transformator step-down KS 35 : Gambar 4 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 36 Gambar 5 Harmonisa tegangan pada KS 36 Tabel 1 merupakan hasil simulasi harmonisa pada tansformator step-down KS 36 : Tabel. Simulasi harmonisa pada KS 35 keterangan Operasi Rating I rms Primer 1,9 A,88 A I rms Sekunder 79,7 A 10,8 A THDI,87 - THDV 1, Analisa Harmonisa Pada KS 64 Pembebanan Motor ESP 90 Pada bagian ini akan disimulasikan sistem kelistrikan dengan gangguan harmonisa kondisi pembebanan Motor ESP 90. Berikut adalah gambar simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada KS 64 :

4 Gambar 8 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 64 Gambar 9 Harmonisa tegangan KS 64 Tabel 3 merupakan hasil simulasi harmonisa yang terjadi pada transormator step-down KS 64 : Tabel 3. Simulasi harmonisa pada KS 64 keterangan Operasi Rating I rms Primer A,88 A I rms Sekunder 101,6 A 10,8 A THDI,85 - THDV 15,67-3. Desain Filter Harmonisa 3..1 Desain Single Tuned Filter Orde 5 th Pada bus 1 faktor daya awal = 91.3 dan faktor daya target = 98, daya aktif = 57 KW : Q P tan P tan Q awal 57x(tan(cos t arg et 0.913) tan(cos )) Q 13,895 K var Setelah menentukan kompensasi daya reaktif yang dibutuhkan, selanjutnya menentukan reaktansi kapasitif dari filter. Karena filter yang dibutuhkan untuk meredam harmonisa adalah 3 orde, maka rating kapasitor pada masing masing filter adalah sebagai berikut : Nilai reaktansi kapasitor : Q 0,46 7,940 6, 649 Setelah menentukan reaktansi kapasitor, selanjutnya adalah menghitung kapasitansi kapasitor, dengan menggunakan rumus berikut : 1 dimana F adalah frekuensi fundamental f 60Hz ,649 99,58 F Selanjutnya menghitung impedansi reaktor filter dengan menggunakan persamaan berikut : n 6, , 065 Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di tuned. Besar induktansi indukor dapat dihitung melalui persamaan berikut : Hz f 1, , 008 H f adalah frekuensi fundamental sistem 60 Pada perancangan single tuned filter untuk orde 5, nilai Q yang digunakan sebesar 100 [19]. Nilai faktor kualitas (Q) merupakan ukuran ketajaman penyetelan filter dalam mereduksi harmonik. Setelah menghitung spesifikasi filter pasif jenis single tuned orde 5, didapatkan spesifikasi filter pasif sebagai berikut : Tabel 4. Spesifikasi filter harmonisa orde 5 Spesifikasi Nilai Spesifikasi Nilai 99,58 µf Ω c 6,649 Ω QVAR 7,94 Kvar 0,008 H Tegangan 460 V 3.. Desain High Pass Filter Orde 7 th Perbedaan perhitungan antara single tuned filter dan high pass filter adalah pada perhitungan nilai resistor. Pada high pass filter nilai resistor dihitung dengan rumus berikut : R = n x Q Berikut adalah perhitungan impedansi reaktor filter : n 53, , 0877

5 Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di tuned yaitu orde 7. Besar induktansi indukor dapat dihitung melalui persamaan berikut : f adalah frekuensi fundamental sistem 60 f Hz 1, , H angkah selanjutnya adalah menghitung karakteristik reaktansi dengan persamaan berikut : n n 0, , n 7,6141 Dari nilai karakteristik reaktansi yang didapat, maka besarnya nilai resistansi filter adalah : R n Q Nilai ketajaman filter jenis high pass filter orde 7, sebesar 50[19]. Dari rumus resistansi diatas, nilai resistansi diperoleh sebesar 380,707Ω, sehingga dapat dibuat tabel spesifikasi jenis high pass filter orde 7 : Tabel 5. Spesifikasi filter harmonisa orde 7 Spesifikasi Nilai Spesifikasi Nilai 49,793 µf Ω c 53,99 Ω QVAR 3,97 Kvar 0,00886 H R 380,707 Ω 3..3 Desain High Pass Filter Orde 11 th Desain filter untuk orde 11 jenis high pass filter sama seperti desain filter orde 7, yang membedakan adalah orde yang ditala : n 106, , 8809 Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di tuned yaitu pada orde 11. Besar induktansi indukor dapat dihitung melalui persamaan berikut : f adalah frekuensi fundamental sistem 60 f Hz 0, , 0033 H angkah selanjutnya adalah menghitung karakteristik reaktansi untuk menentukan nilai resistansi yang dibutuhkan : n n n 9,69 0,0033 0, Dari nilai karakteristik reaktansi yang didapat, maka besarnya nilai resistansi filter dapat dihitung : R n Q Nilai ketajaman filter sama seperti high pass filter orde 7, yaitu 50[19]. Dari rumus resistansi diatas, nilai resistansi diperoleh sebesar 484,563Ω, sehingga dapat dibuat tabel spesifikasi jenis high pass filter orde 11: Tabel 6. Spesifikasi filter harmonisa orde 11 Spesifikasi Nilai Spesifikasi Nilai 4,98 µf 0,8809 Ω c 106,598 Ω QVAR 1,985 Kvar 0,0033H R 484,536 Ω 3.3 Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif Terhadap Faktor Daya Berikut adalah pengaruh pemasangan filter terhadap faktor daya sebelum dan sesudah pemasangan filter : Tabel 7. Perbandingan faktor daya sebelum dan sesudah pemasangan filter pasif Bus ID Bus 10 Bus 35 Bus 40 K W A Sebelum AR os ϕ 91,3 91, 91,5 K W A Sesudah AR os ϕ 98,3 98,5 98, Dari tabel 9 dapat dilihat bahwa pengaruh pemasangan filter akan berpengaruh pada faktor daya dan konsumsi daya. Setelah pemasangan filter pasif, faktor daya naik menjadi 98,3. Dengan nilai daya aktif tetap dan nilai daya reaktif yang menurun sehingga konsumsi daya nyata akan menurun. Sesuai dengan rumus berikut : S P Q 3.4 Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif Terhadap Harmonisa Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif Terhadap Harmonisa Arus Berikut adalah hasil running dan simulasi harmonic load flow pada KS 35B, 64B dan KS 35B melalui etap power station 1.6 :

6 Berdasarkan tabel 8, nilai distorsi harmonisa arus pada klaster yang terdapat variable speed drive berada dibawah 5 sesuai dengan standar IEEE 519. Hal ini menunjukan bahwa filter pasif yang dipasangan paralel dengan sumber harmonisa sudah optimal Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif Terhadap Harmonisa Tegangan Berikut adalah hasil harmonic load flow pada etap power station 1.6 pada KS 35, 64 dan KS 36: Gambar 10 Thd arus pada KS 35 setelah pemasangan filter Gambar 13 Thd tegangan pada KS 35 setelah pemasangan filter Gambar 11 Thd arus pada KS 64 setelah pemasangan filter Gambar 14 Thd tegangan pada KS 64 setelah pemasangan filter Gambar 1 Thd arus pada KS 36 setelah pemasangan filter Dari gambar 10, 11 dan 1 dapat dibuat tabel perbandingan THD arus sebelum dan setelah pemasangan filter : Tabel 8. Perbandingan THD arus sebelum dan sesudah pemasangan filter Standard THDi () THDi () Klaster () Sebelum Sesudah KS 35 5,87 4 KS 64 5,91 3,48 KS 36 5,79 4,94 Gambar 15 Thd tegangan pada KS 36 setelah pemasangan filter Dari gambar 13, 14 dan 15 dapat dibuat tabel perbandingan THD tegangan sebelum dan setelah pemasangan filter. Berikut adalah tabel perbandingan

7 THD tegangan sebelum dan sesudah pemasangan filter pasif : Tabel 9. Perbandingan THD tegangan sebelum dan sesudah pemasangan filter Standard THDv () THDv () Klaster () Sebelum Sesudah KS ,36 4,78 KS ,1 4,96 KS ,79 4,06 Berdasarkan tabel 9 dapat dilihat tidak hanya harmonisa arus saja yang mengalami peurunan, nilai THD tegangan juga mengalamai penurunan hingga dibawah stándar IEEE Hal ini menunjukan bahwa desain filter harmonisa sudah tepat. 4. KESIMPUAN Dengan melihat hasil simulasi menggunakan ETAP 1.6 serta dibandingkan dengan standar distorsi tegangan harmonisa dan distorsi arus harmonisa yang diizinkan, maka dapat disimpulkan bahwa : 1. THD arus dan tegangan sebelum pemasangan filter harmonisa pada bus yang mensuplai beban variable speed drive berada diatas standar IEEE Berdasarkan hasil simulasi etap 1.6 semakin besar tingkat pembebanan Motor ESP maka nilai THD arus dan tegangan juga semakin besar. 3. Pemasangan harmonic filter dengan kombinasi filter pasif (single tune filter untuk orde 5 dan high pass filter untuk orde 7 dan 11) dapat mengurangi THD arus sebesar 17,93 untuk KS 36, 18,79 untuk KS 35, 19,43 untuk KS 64 dan THD tegangan sebesar 4,73 untuk KS 36, 7,58 untuk KS 35, 11,16 untuk KS Simulasi menggunakan ETAP 1.6 dapat menunjukkan bahwa nilai faktor daya setelah pemasangan filter meningkat sebesar 7 untuk KS 35, 7,3 untuk KS 64, dan 6,7 untuk KS SARAN Apabila melakukan pembukaan lapangan pengeboran minyak baru dengan metode pengangkatan buatan (Electrical Submersible Pump/ESP) dan menggunakan VSD sebagai pengatur kecepatan putar motor nya, sebaiknya dilakukan simulasi harmonic load flow terlebih dahulu. Penentuan letak filter harmonisa sebaiknya memperhitungkan dari aspek ekonomis dan teknis, pada tugas akhir ini filter dipasang pada bagian upstream VSD untuk mencegah harmonisa mengalir menuju sistem dan transformator step-down. Apabila filter harmonisa dipasang pada bagian primer transformator yang memiliki rating tegangan 0 Kv maka biaya investasi untuk filter harmonisa tidak ekonomis. Sementara itu, apabila filter harmonisa di pasang pada bagian downstream VSD, harmonisa akan mengalir menuju sistem. REFERENSI [1] Firmansyah, Ifhan Studi pemasangan kapasitor bank untuk perbaikan faktor daya PT asian profile indosteel.its. 009 [] Widyar Hamzah, Amrullah Perencanaan filter pasif sebagai filter harmonisa dan korektor faktor daya pada sistem kelistrikan PT Holcim Indonesia, TBK Plant # ilacap.its. 009 [3] hattopadhyay, Surajit., Sengupta, Samarjit, dan Mitra, Madhuchhanda. Electric Power Quality. Springer. United States of America [4] Bien, iem Ek & Sudarno. Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan Harmonisa Pada ampu Hemat Energi [5] Mcgraw-Hill. Electrical Power System Quality. Digital Engineering ibrary. Second edition. [6] Sankaran,.. (00). Power Quality. R Press [7] De a Rosa, Francisco.. (006). Harmonic And Power System. R Press. [8] Vedam, R.Sastry, Salma, Mulukutla S.. (009). Power Quality VARompensation in Power System. R Press. [9] Skvarenina, Timothy. THE POWER EETRONIS HANDBOOK. R Press. New York: 00 [10] Arrillaga, J., Watson N.R.. Power System Harmonics, Second Edition. John Willey & Son td. [11] Tribuana, wanhar Pengaruh Harmonik pada transformator [1] W. Mack Grady dan Surya Santoso, Understanding PowerSystemHarmonics, /~grady, 8 Agustus 006. [13] itron Teknologies: aplication note k-faktor defined, San Diego [14] Jacob, Harmonic load flow. PT.Tripolyta Indonesia, 013 [15] Ghifari, Abdurrahman Studi harmonisa pengaruh pemasangan kapasitor bank pada sistem kelistrikan PT. handra Asri Petrochemical, TBK.UNDIP. 013 [16] Wildi,theodore. Electrical Machines, drives and power systems. 00 [17] Irawan,Heri. Analisis pengaruh pemasangan filter pasif terhadap penurunan harmonik pada sistem multi mesin 9 bus IEEE. UNDIP. 011 [18] Pujiantara, Margo, Penyempurnaan desain filter harmonisa menggunakan kapasitor eksisting pada pabrik soda kaustik di serang - banten. ITS. 003

8 [19] Badrzadeh. B, Smith. K, Wilson. R. Designing Harmonics Filters For An Aluminum Smelting Plant. Houston, Texas BIODATA PENUIS Muhammad Agung Purwanto ( ) dilahirkan di Ujung Pandang 19 September Telah menempuh pendidikan di SDN Bintara VI Bekasi SMP Negeri 14 Bekasi dan SMA Negeri 59 Jakarta. Saat ini sedang menempuh pendidikan Strata 1 Jurusan Teknik Elektro Konsentrasi Teknik Tenaga istrik, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang. Mengetahui/Mengesahkan: Dosen Pembimbing I Ir. Agung Warsito, DHET NIP Dosen Pembimbing II Ir. Agung Nugroho, M.Kom. NIP