Arrifat Lubis

Transkripsi

1 Seminar Tugas Akhir (Gasal ) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS ANALISIS DAN SIMULASI KUALITAS DAYA : FAKTOR DAYA, TEGANGAN KEDIP DAN HARMONISA PADA PERENCANAAN SISTEM KELISTRIKAN PT SEMEN GRESIK (PERSERO) Tbk. PABRIK SEMEN TUBAN IV Arrifat Lubis Pembimbing : 1. Prof. Ir. Ontoseno Penangsang, M.Sc, Ph.D. 2. Prof. Dr. Ir. Adi Soeprijanto, MT

2 Pendahuluan Latar Belakang Tujuan Untuk mengantisipasi semakin meningkatnya permintaan semen baik untuk kebutuhan dalam negeri maupun kebutuhan luar negeri, PT. Semen Gresik (Persero) Tbk, berencana untuk membangun pabrik semen baru dengan kapasitas 2 x 2,5 juta ton Untuk membangun pabrik tersebut maka diperlukan suatu studi, desain dan rekayasa agar diperoleh sistem kelistrikan yang disesuaikan dengan rencana kebutuhan daya listrik pabrik semen sebesar 2,5 juta ton. Studi kualitas daya untuk menjamin keandalan sistem Evaluasi kualitas daya khususnya faktor daya, tegangan kedip dan harmonisa dari sistem kelistrikan PT. Semen Gresik Tbk. Pabrik Semen Tuban IV dengan mensimulasikan sistem kelistrikan tersebut menggunakan Electrical Transient Analyzer Program (ETAP 7.0.0).

3 Pendahuluan Rumusan Masalah Memodelkan sistem kelistrikan di PT. Semen Gresik Tbk. Pabrik Semen Tuban IV pada software ETAP Analisis Kualitas Daya di PT. Semen Gresik Tbk. Pabrik Semen Tuban IV dengan memperhatikan faktor daya, tegangan kedip, dan harmonisa. Batasan Masalah Masalah kualitas daya yang dievaluasi hanya faktor daya, harmonisa dantegangan kedip Permasalahan yang dibahas di PT. Semen Gresik Tbk. Pabrik Semen Tuban IV Analisis menggunakan standar yang dikeluarkan oleh IEEE

4 Teori penunjang Faktor daya (1) Perbandingan antara daya aktif (W) dengan daya total (VA). Apparent Power θ Reactive Power ( kw ) 2 ( k var) 2...(1) kva = + Active Power Dapat dinyatakan dalam nilai cosinus sudut yang dibentuk antara daya aktif dan daya total Faktor daya mengindikasikan kualitas konsumsi daya total.

5 Konsumsidaya pada industri perlu dioptimalkan. Salah satu cara mengoptimalkankonsumsi daya listrik adalah dengan kompensasidaya reaktif. Besarnyakompensasidaya reaktif dapat ditentukan oleh persamaan berikut. Q = P ( tanϑ tanϑ ) awal target

6 Harmonisa adalah gelombang-gelombang sinus dengan frekuensi kelipatan (integer) dari frekuensi sumber, yang bila digabungkan gelombang sinus dengan frekuensi sumber akan menghasilkan gelombang yang terdistorsi (non-sinus) V1 + V5 = Sumber beban non linear seperti peralatan elektronika daya dan tanur busur listrik.

7 Standard Harmonisa Arus (IEEE Std ) untuk level tegangan 69 kv dan dibawahnya Maximum Harmonic Current Distortion in Percent of I L Individual Harmonic Order (Odd Harmonic) I SC /I L <11 11 h h h h TDD < 20 * 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5, ,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8, ,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12, ,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 > ,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Even harmonic are limited to 25% of the odd harmonic above. Current distortion that result in a dc, e.g. half-wave converters, are not allowed. * All power generation equipment is limited to these values of current distortion regardless of the actual I SC /I L. Where : I SC =maximum short circuit at PCC =maximum demand load current (fundamental frequency component) at PCC I L

8 Standard Harmonisa Tegangan (IEEE Std ) Bus Voltage at PCC Individual Voltage Distortion (%) THD (%) 69 kv and below 3,0 5,0 69,001 kv through 161 kv 1,5 2,5 161,001 kv and above 1,0 1,5

9 Persentase total komponen harmonik terhadap komponen fundamentalnya V 2 2 Vn In n=2 n=2 I V1 I1 THD = atau THD =

10 Konverter Tanur Busur Listrik (Arc Furnace) SUMBER HARMONISA Transformator Mesin-Mesin Berputar

11 Kebanyakan beban yang menimbulkan cacat gelombang (deforming loads) adalah bebanbeban yang mengandung konverter (static converter) Tanur busur listrik adalah elemen beban yang tidak linier dan menyebabkan timbulnya arus harmonik yang cukup besar pada jaringan yang terhubung dengan tanur busur listrik.

12 Transformator dan peralatan elektromagnetik denganinti besi (steel), termasuk juga motormotor (mesin-mesin berputar) juga termasuk sumber harmonik. Harmonik disebabkan oleh kejenuhan dan distribusi fluks yang tidak sinusoidal sehingga terbangkit emf yang tidak sinusoidal yang akan menghasilkan arus harmonik bila dibebani

13 Suatu kondisi dimana nilai reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif pada suatu sistem lokal PARALEL SERI nilai impedansi sistem lokal sangat besar nilai impedansi sistem lokal sangat kecil TEGANGAN MENJADI BESAR ARUS MENJADI BESAR

14 Resonansi paralel terjadi bila arus harmonisa menghadapi suatu impedansi tinggi

15 Resonansi seri terjadi apabila sumber harmonisa menghadapi suatu impedansi rendah Dengan Impedansi rendah, akan berpeluang menyebabkan arus yang besar mengalir pada kapasitor

16 bertugas sebagai jalan yang harus dilewati harmonisa agar harmonisa tidak masuk ke sistem SEBAGAI KOREKSI FAKTOR DAYA PEREDAMAN HARMONISA

17 Jenis Filter yang digunakan pada Sistem Kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV yaitu antara lain band pass (single tune) dan high pass filter. Band pass (single tune) Filter dengan penalaan tunggal ditala pada salah satu orde harmonisa (biasanya pada orde harmonisa rendah). Filter ini terdiri dari rangkaianseri kapasitor, reaktor dan resistor (RLC). High pass filter. Penggunaan filter yang ditala sering mengakibatkan resonansi paralel antara filter dengan admintansi dari sistem pada orde harmonik dibawah frekuensi penalaan filter yang lebih rendah. Dalam hal ini penggunaan satu atau lebih damped filter menjadialternatif yang lebih dapatditerima

18 Penurunan nilai rms tegangan atau arus pada frekuensi daya selama durasi waktu dari 0,5 cycles (0,01detik) sampai 1 menit Hal ini menyebabkan lepasnya (trip) peralatan-peralatan yang peka terhadap perubahan tegangan

19 Standar IEEE , IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality Categories Short Duration Variations Typical Duration Typical Voltage Magnitude Intantaneous Sag cycles pu Swell cycles pu Momentary Sag 30 cycles 3 s pu Swell 30 cycles 3 s pu Interruption 0.5 cycles 3 s < 0.1 pu Temporary Sag 3 s 1 min pu Swell 3 s 1 min pu Interruption 3 s 1 min < 0.1 pu

20 Secara umum disebabkan oleh gangguan pada sistem, seperti gangguan hubung singkat. Gangguan yang sering terjadi pada sistem adalah gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah. Pembebanan yang besar atau pengasutan motor berkapasitas besar. Perubahan beban yang berlebihan/di luar batas kemampuan sistem daya

21 Simulasi load flow Konsumsi Daya Sistem Kelistrikan Eksisting pada Bus Bus Beban : NAMA BUS KV MW MVAR MVA PF(%) MAIN BUS MV SUBXII-824-MV SUBXIII-824-MV SUBXIII-824-MV SUBIV-824-MV SUBXIII-824-MV SUBXII-824-MV ER23A-C834-MV23A ER23A-C834-MV23A ER23-C834-MV23B ER23C-C834-MV23C ER MV ER25-C834-MV ER25-C834-MV ER MV ER27-C834-MV ER27-C834-MV ER28-C834-MV

22 Nilai tegangan pada substation SUB-XIII-C824-MV132 Beberapa bus yang nilai tegangannya rendah yaitu substation SUB-XIII-C824-MV132 yang menyuplai ER25, ER26 dan ER29. Tegangan pada bus - bus tersebut adalah : SUB-XIII-C824-MV132 : 92,93% ER25-C834-MV252 : 92,88% ER25-C834-MV251 : 92,85% ER26-C834-MV261 : 92,83% ER29-C834-MV291 : 92,89%

23 Evaluasi perbaikan faktor daya (1): Penambahan Kapasitor Bank Pada Bus Bus berikut ini : Bus ER23-C834-MV23A2 Bus ER24-C834-MV241 Bus ER25-C834-MV251 Bus ER25-C834-MV252 Bus ER26-C834-MV261 Bus ER27-B834-MV272 : 1500 kvar : 6000 kvar : 3000 kvar : 3000 kvar : 4500 kvar : 4500 kvar

24 Evaluasi perbaikan faktor daya (2): Konsumsi Daya Sistem Kelistrikan Setelah Perbaikan Faktor Daya pada Bus Bus Beban yaitu : NAMA BUS KV MW MVAR MVA PF(%) MAIN BUS MV SUBXII-824-MV SUBXIII-824-MV SUBXIII-824-MV SUBIV-824-MV SUBXIII-824-MV SUBXII-824-MV ER23A-C834-MV23A ER23A-C834-MV23A ER23-C834-MV23B ER23C-C834-MV23C ER MV ER25-C834-MV ER25-C834-MV ER MV ER27-C834-MV ER27-C834-MV ER28-C834-MV

25 Evaluasi peningkatan faktor daya (1): Penambahan Kapasitor Bank Pada Bus Bus berikut ini : Bus ER23-C834-MV23B : 1500 kvar Bus ER23A-C834-MV23A2 : 1500 kvar Bus ER24-C834-MV241 : 6000 kvar Bus ER25-C834-MV251 : 3000 kvar Bus ER25-C834-MV252 : 3000 kvar Bus ER26-C834-MV261 : 4500 kvar Bus ER27-C834-MV271 : 6000 kvar Bus ER27-B834-MV272 : 4500 kvar

26 Evaluasi peningkatan faktor daya (1): Konsumsi Daya Sistem Kelistrikan Setelah Peningkatan Faktor Daya pada Bus Bus Beban yaitu : NAMA BUS KV MW MVAR MVA PF(%) MAIN BUS MV SUBXII-824-MV SUBXIII-824-MV SUBXIII-824-MV SUBIV-824-MV SUBXIII-824-MV SUBXII-824-MV ER23A-C834-MV23A ER23A-C834-MV23A ER23-C834-MV23B ER23C-C834-MV23C ER MV ER25-C834-MV ER25-C834-MV ER MV ER27-C834-MV ER27-C834-MV ER28-C834-MV

27 Evaluasi peningkatan faktor daya (2): Peningkatan Tegangan Pada substation SUB-XIII-C824-MV132 yaitu : SUB-XIII-C824-MV132 : 97,13% ER25-C834-MV252 : 97,08 % ER25-C834-MV251 : 97.12% ER26-C834-MV261 : 97,09% ER29-C834-MV291 : 97,1%

28 Studi harmonisa Simulasi Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Tuban IV Kondisi Eksisting Nama Bus THDi THDv Standar IEEE THDi THDv Main Bus MV SUB-XII-C824-MV SUB-XII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIV-C824-MV ER23A-C834-MV23A ER23A-C834-MV23A ER23B-C834-MV23B ER23C-C834-MV23C ER24-C834-MV ER25-C834-MV ER25-C834-MV ER26-C834-MV ER27-B834-MV ER27-C834-MV ER28-C834-MV

29 Simulasi Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Tuban IV Kondisi Eksisting Spektrum Tegangan Fungsi Orde Harmonisa Perubahan Pada Bus ER26- C834-MV261 Plot Impedansi Fungsi Frekuensi Harmonisa Perubahan Pada Bus ER26- C834-MV261

30 Simulasi Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Tuban IV Dengan Penambahan Kapasitor Bank Data perbandingan THD arus dan THD tegangan sebelum dan setelah penambahan kapasitor bank sebagai berikut : Nama Bus Sebelum Kapasitor Dengan Kapasitor THDi THDv THDi THDv Main Bus MV SUB-XII-C824-MV SUB-XII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIV-C824-MV ER23A-C834-MV23A ER23A-C834-MV23A ER23B-C834-MV23B ER23C-C834-MV23C ER24-C834-MV ER25-C834-MV ER25-C834-MV ER26-C834-MV ER27-B834-MV ER27-C834-MV ER28-C834-MV

31 Simulasi Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Tuban IV Dengan Penambahan Kapasitor Bank Spektrum Tegangan Fungsi Orde Harmonisa Perubahan Pada Bus ER26- C834-MV261 Plot Impedansi Fungsi Frekuensi Harmonisa Perubahan Pada Bus ER26- C834-MV261

32 Perbandinganthd Arus dan thd tegangan sebelum dan sesudah pemasangan kapasitor bank : Perbandingan Nilai THD Voltage Perbandingan Nilai THD Current

33 Simulasi Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Tuban IV Dengan Penambahan Filter Harmonisa Data perbandingan THD arus dan THD tegangan sebelum, setelah penambahan kapasitor bank dan dengan penambahan filter harmonisa sebagai berikut : Nama Bus Tanpa Kapasitor Dengan Kapasitor Dengan Filter Harmonisa THDi THDv THDi THDv THDi THDv Main Bus MV SUB-XII-C824-MV SUB-XII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIII-C824-MV SUB-XIV-C824-MV ER23A-C834-MV23A ER23A-C834-MV23A ER23B-C834-MV23B ER23C-C834-MV23C ER24-C834-MV ER25-C834-MV ER25-C834-MV ER26-C834-MV ER27-B834-MV ER27-C834-MV ER28-C834-MV

34 Simulasi Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Tuban IV Dengan Penambahan Filter Harmonisa Plot Impedansi Fungsi Frekuensi HarmonisaPerubahanPada ER23A-C834- MV23A1 Plot Impedansi Fungsi Frekuensi HarmonisaPerubahanPada ER24-C834- MV241

35 Perbandingan thd Arus dan thd tegangan sebelum, sesudah pemasangan kapasitor bank dan setelah pemasangan filter harmonisa: Perbandingan Nilai THD Current Perbandingan Nilai THD Voltage

36 AnalisisTegangan kedip yang disebabkan oleh pengasutan motor Skenario 1 Simulasitegangan kedip padasaat pengasutan motor ROLLER_MILL Skenario 2 Simulasitegangan kedip padasaat pengasutan motor CEMENTMILL-TB Skenario 3 Simulasitegangan kedip padasaat pengasutan motor RAWMILL-ID_FAN

37 Simulasi tegangan kedip pada saat pengasutan motor rooler_mill (1) Data Tegangan Kedip pada Bus-Bus Beban BUS Sebelum (kv) Kondisi starting Selama Sesudah (kv) (kv) Drop (%) Main Bus Tuban ,5 814.MV SUB-XIII-C824- MV132 ER24-C834- MV241 ER26-C834- MV

38 Simulasi tegangan kedip pada saat pengasutan motor rooler_mill (2) Grafik Tegangan Kedip pada BUS ER24- C834-MV241 Grafik Tegangan Kedip pada BUS ER26- C834-MV261 Grafik Tegangan Kedip pada SUB-XIII- C824-MV132

39 Simulasi tegangan kedip pada saat pengasutan motor rooler_mill (3) Grafik Tegangan Kedip pada BUS 814.MV11 Grafik Tegangan Kedip pada MAIN BUS 2 Tuban IV

40 Simulasi tegangan kedip pada saat pengasutan motor CEMENTMILL-TB (1) Data Tegangan Kedip pada Bus-Bus Beban BUS Sebelum (kv) Kondisi starting Selama (kv) Drop (%) Sesudah (kv) Main Bus , MV SUB-XIII-C824-MV , SUB-XIV-C824-MV ER27-C834-MV ER27-B834-MV

41 Simulasi tegangan kedip pada saat pengasutan motor CEMENTMILL-TB (2) Grafik Tegangan Kedip pada MAIN BUS 2 Tuban IV Grafik Tegangan Kedip pada BUS 814.MV11 Grafik Tegangan Kedip pada SUB-XIII- C824-MV141

42 Simulasi tegangan kedip pada saat pengasutan motor RAWMILL-ID_FAN (1) Data Tegangan Kedip pada Bus-Bus Beban BUS Sebelum (kv) Kondisi starting Selama (kv) Drop (%) Sesudah (kv) Main Bus Tuban MV SUB-XIII-C MV132 ER24-C834-MV ER26-C834-MV

43 Simulasi tegangan kedip pada saat pengasutan motor RAWMILL-ID_FAN (2) Grafik Tegangan Kedip pada MAIN BUS 2 Tuban IV Grafik Tegangan Kedip pada BUS 814.MV11 Grafik Tegangan Kedip pada SUB-XIII- C824-MV132

44 Kesimpulan (1) Pemasangan kompensasi daya reaktif digunakan untuk mengamati perbaikan faktor daya dan perbaikan tegangan pada bus sehingga digunakan sebagai acuan untuk menentukan besarnya daya reaktif pada perancangan filter pasif nantinya. Dengan pemasangan kapasitor dapat menimbulkan permasalahan baru yaitu meningkatnya harmonisa ke 5 dan 7 akibat adanya fenomena resonansi parallel. Dengan naiknya karakteristik impedansi maka apabila terdapat arus yang kecil, harmonisa tegangan akan menjadi tinggi sehingga dapat menyebabkan overvoltage.

45 Kesimpulan (1) Pada sistem kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV, terjadi peningkatan nilai faktor daya dari 62,2% pada kondisi eksisting menjadi 92% (setelah dipasang filter pasif). Selain itu terjadi kenaikan tegangan padaseluruh bus beban hingga di atas 95% tegangan nominal. THD tegangan pada bus bus utama adalah kurang dari 5% sehingga nilai THD tersebut masih di bawah standard. Sedangkan nilai %THD arus yang terbesar berada pada ER27-B834-MV272 dan ER27-C834-MV271. Pada sistem kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV dari simulasi harmonisa dapat diketahui dengan menggunakan filter harmonisa telah menurunkan THD arus dan THD tegangan sehingga besarnya THD tersebut masih dibawah standar (berdasarkan IEEE Std ).

46 Kesimpulan (3) Pada sistem kelistrikan Pabrik Semen Tuban IV digunakan filter Single Tuned dan filter High Pass, dimana filter Single Tuned digunakan untuk meredam harmonik orde 5 dan 7 yang merupakan orde harmonik yang dominan. Sedangkan untuk orde 11 dan seterusnya digunakan filter High Pass orde 11. Besarnya kedip tegangan maksimal terdapat pada tempat motor melakukan starting. Kemudian besar gangguan terus mengecil seiring dengan semakin jauhnya sumber motor starting dari bus bus tersebut.

47 Saran (1) Agar tidak terjadi kerugian akibat kurang optimalnya konsumsi daya listrik, maka perlu adanya studi dan analisa optimisasi konsumsi daya. Salah satu usaha untuk optimisasi konsumsi daya adalah dengan kompensasi daya reaktif bila tidak terdapat harmonik pada sistem kelistrikannya. Pemasangan kapasitor bank secara individual cukup berbahaya pada sistem yang terdapat sumber harmonisa. Hal ini memungkinkan terjadinya fenomena resonansi. Oleh karena itu, kapasitor bank perlu direkonfigurasi menjadi filter pasif untuk mencegah timbulnya fenomena resonansi dan sebagai filterharmonisa.

48 Saran (2) Besarnya kedip tegangan rata-rata terbesar terjadi pada pengasutan motor dengan metode direct on line. Kedip tegangan dapat diminimalisir dengan menambah kapasitas suplai daya dari pembangkit dan mengurangi arus pengasutan dengan cara menggunakan metode pengasutan.

49