BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kualitas Daya Listrik Peningkatan terhadap kebutuhan dan konsumsi energi listrik yang baik dari segi kualitas dan kuantitas menjadi salah satu alasan mengapa perusahaan utilitas penyedia listrik perlu memberi perhatian terhadap isu kualitas daya listrik. Terlebih pada konsumen perindustrian yang membutuhkan supply listrik yang baik yaitu dari segi kontinuitas dan juga kualitas tegangan yang disupply (karena mesin-mesin pada perindustrian sensitif terhadap lonjakan/ ketidakstabilan tegangan) perlu diusahakan suatu sistem pendistribusian tenaga listrik yang dapat memberikan pelayanan yang memenuhi kriteria yang diinginkan konsumennya. Istilah kualitas daya listrik bukanlah hal yang baru melainkan sudah menjadi isu penting pada industri sejak akhir 1980-an. Kualitas daya listrik memberikan gambaran akan baik buruknya suatu sistem ketenagalistrikan dalam mengatasi gangguan-gangguan pada sistem tersebut. Roger C. Dugan memberikan empat alasan utama perlunya perhatian lebih akan masalah kualitas daya [4] : 1. Perangkat listrik yang digunakan pada saat ini sangat sensitif terhadap kualitas daya listrik yang mana perangkat berbasis mikroprosesor dan elektronika daya lainnya membutuhkan tegangan pelayanan yang stabil dan level tegangannya juga harus dijaga pada tegangan kerja perangkat tersebut. 2. Peningkatan yang ditekankan pada efisiensi daya /sistem kelistrikan secara keseluruhan yang mengakibatkan pertumbuhan lanjutan dalam aplikasi perangkat dengan efisiensi tinggi, seperti pengaturan kecepatan motor listrik dan penggunaan kapasitor bank untuk koreksi faktor daya untuk mengurangi rugi-rugi. Hal ini mengakibatkan peningkatan tingkat harmonik pada sistem tenaga dan mengakibatkan banyak praktisi dibidang sistem ketenagalistrikan khawatir akan dampak tersebut di masa depan (dikhawatirkan dapat menurunkan kemampuan dari sistem tersebut). 3. Meningkatnya kesadaran para konsumen akan masalah kualitas daya. Dimana pelanggan/ konsumen menjadi lebih mengerti akan masalah seperti

2 interupsi, sags, dan transien switching dan mengharapkan sistem utilitas listrik untuk meningkatkan kualitas daya yang dikirim. 4. Sistem tenaga listrik sekarang ini sudah banyak yang melakukan interkoneksi antar jaringan, di mana hal ini memberikan suatu konsekuensi bahwa kegagalan dari setiap komponen akan mengakibatkan kegagalan pada komponen lainnya. Masalah yang dapat timbul dari sistem tenaga listrik dengan kualitas daya yang buruk dapat berupa masalah lonjakan/ perubahan tegangan, arus dan frekwensi yang akan menimbulkan kegagalan/ misoperasi peralatan. Yang mana kegagalan ini merusak peralatan listrik baik dari sisi pengirim maupun sisi penerima. Untuk itu demi mengantisipasi kerugian yang dapat terjadi baik dari pihak PLN maupun masyarakat, pihak PLN harus mengupayakan sistem ketenagalistrikan yang baik. Masalah kualitas daya yang akan dibahas pada tulisan ini adalah mengenai faktor daya dan jatuh tegangan 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. Nilai faktor daya maksimal adalah satu. Faktor daya juga disimbolkan sebagai cos θ, dimana: cos θ = pf = P S (2.1) Seperti terlihat pada persamaan 2.1, 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 secara utuh pada beban resistif (W). Dalam hal ini nilai daya total/ semu (VA) sama dengan daya aktif (W).

3 P, kw θ Q, kvar S, kva Gambar 2.1 Diagram phasor P θ 1 θ 2 S 2 Q 2 S 1 Q C Gambar 2.2 Power factor correction Gambar 2.1 menunjukan hubungan antara daya aktif, reaktif dan daya semu. Pada gambar tersebut terlihat bahwa daya semu/ total adalah penjumlahan vektor dari daya aktif dan reaktif. Gambar 2.2 adalah gambar perbaikan faktor daya dengan kompensator daya reaktif (kapasitor). Kapasitas kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya beban dapat dihitung sebagai berikut: Daya reaktif pada p.f awal Q 1 = P x tan θ 1 (2.2) Daya reaktif pada p.f yang diperbaiki Q 2 = P x tan θ 2 (2.3) dimana P = konstan

4 Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah : Daya reaktif Q c = Q 1 - Q 2 (2.4) atau Q = P x (tan θ awal -tan θ target) (2.5) Jatuh Tegangan Jatuh tegangan dapat didefenisikan sebagai besarnya tegangan yang hilang pada suatu penghantar. Jatuh tegangan berbanding lurus dengan impedansi saluran. Besarnya jatuh tegangan dinyatakan baik dalam persen atau dalam besaran Volt. Dalam hal ini PLN membatasi tegangan minimun pada batasan -10% dari tegangan nominal dan tegangan maksimumnya tidak lebih dari +5% dari tegangan nominalnya. Penurunan persamaan jatuh tegangan dapat ditentukan dari gambar diagram phasor transmisi daya pada gambar berikut : d Vs IX V q Iq θ Ip Vr a b IR c e V p Gambar 2.3 Diagram phasor transmisi daya ke beban 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 :

5 Vs 2 = (Vr + V p ) 2 + ( V q ) 2 (2.6) Keterangan : Vs = tegangan di sisi pengirim Vr = tegangan di sisi penerima V p = jatuh tegangan Dimana : V p = IR cosθ + IX sinθ (2.7) V q = IX cosθ IR sinθ (2.8) Sehingga persamaan tegangan di sisi pengirim (Vs) menjadi : Vs 2 = (Vr + IR cosθ + IX sinθ) 2 + (IX cosθ IR sinθ) 2 (2.9) Karena nilai V q = IX cosθ IR sinθ sangat kecil, maka nilai tersebut dapat diabaikan. Sehingga persamaan Vs 2 menjadi : Vs 2 = (Vr + V p ) 2 (2.10) Sementara itu untuk persamaan jatuh tegangan dapat kita tentukan : V p = IR cosθ + IX sinθ Atau V p = R P Vr + X Q Vr (2.11) Keterangan : R = resistansi saluran X = reaktansi saluran P = daya aktif yang dikirim ke beban Q = daya reaktif yang dikirim ke beban 2.2 Kapasitor bank Dalam perbaikan faktor daya dan pengaturan tegangan jaringan, para engineer menggunakan kapasitor bank dengan sistem kompensasi daya reaktif yang ditawarkannya. Pada saluran transmisi, beban yang bersifat induktif akan menyerap daya reaktif, yang kemudian akan dapat menimbulkan jatuh tegangan di sisi penerima. Disinilah kapasitor bank

6 berfungsi dalam mengkompensasi daya reaktif dan memastikan tegangan terjaga pada levelnya pada saat beban penuh. Pemasangan kapasitor bank adalah usaha yang dilakukan untuk memberikan supply daya reaktif. Sehingga penggunaan kapasitor bank akan mengurangi penyerapan daya reaktif sistem oleh beban. Hal ini dilakukan agar jatuh tegangan dan rugi-rugi jaringan yang terjadi dapat dikurangi. Selain dapat memperbaiki nilai tegangan, pengaturan tegangan dengan menggunakan kapasitor bank juga dapat meningkatkan nilai faktor daya. Sebab dengan memasang kapasitor bank, akan dapat mengurangi penyerapan daya reaktif oleh beban. Pengurangan penyerapan daya reaktif oleh beban pada sistem, akan dapat meningkatkan nilai faktor daya. Kapasitor bank memberikan manfaat yang besar untuk kinerja sistem distribusi. Dimana kapasitor bank dapat mengurangi losses, memperbesar kapasitas layanan dan mengurangi drop tegangan [5] : - 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. - Kapasitas penurunan arus di jaringan ini lebih lanjut akan memperbesar kapasitas pelayanan dimana, jaringan yang sama akan dapat melayani beban yang lebih besar. - Drop tegangan kapasitor bank dapat mengurangi voltage drop dimana dengan kompensasi daya reaktif akan meningkatkan /menaikkan level tegangan jaringan Efek Pemasangan Kapasitor Seri dan Paralel (shunt) Fungsi utama dari pemakaian kapasitor seri dan shunt adalah untuk mengatur tegangan dan aliran daya reaktif pada titik dimana kapasitor tersebut dipasang. Kapasitor shunt melakukannya dengan mengubah power faktor dari beban, sedangkan kapasitor seri melakukannya dengan secara langsung mengurangi reaktansi induktif [6]. a. Kapasitor Seri Kapasitor seri adalah kapasitor yang pemasangannya dihubungkan seri dengan impedansi saluran. Pemakaiannya sangat terbatas pada saluran distribusi, karena peralatan pengaman cukup rumit akibat dari kurang flexibelnya penggunaan kapasitor seri tersebut.

7 Jadi secara umum dapat dikatakan bahwa biaya untuk pemasangan kapasitor seri lebih mahal daripada biaya pemasangan kapasitor paralel. Biasanya juga, kapasitor seri didesain untuk daya yang lebih besar daripada kapasitor paralel, guna mengatasi perkembangan beban kelak [3]. Z = R + jx l Z = R + j(x l - X C) ) Vs - I + Vr - + Vs - I + Vr - (a) (b) V S IZ V S IX C θ I V R (c) IR IX L V C θ I (d) V R IZ IX L Gambar 2.4 gambar diagram pemasangan kapasitor seri Gambar 2.4 a adalah bagan satu garis dari suatu penyulang, sedangkan gambar 2.4 c adalah diagram fasornya. Bila pada penyulang tersebut diujung penerimanya dipasang kapasitor bank (seri), maka bagan satu garisnya akan terlihat seperti pada gambar 2.4 b dan fasor diagaramnya seperti pada gambar 2.4 d. Pada gambar 2.4 a dan 2.4 c, jatuh teganagn pada penyulang tersebut dapat dinyatakan secara pendekatan sebagai berikut : VD = IR cos θ + IX L sin θ (2.12) Dari gambar 2.4 b dan 2.4 d, hasil jatuh tegangan akibat dipasangnya kapasitor seri dapat dihitung sebagai berikut : VD = IR cos θ + I(X L- X C ) sin θ (2.13)

8 Dimana : R = tahanan dari penyulang (Ω) X L = reaktansi induktif penyulang (Ω) X C = reaktansi kapasitif dari kapasitor seri (Ω) b. Kapasitor Paralel (Shunt) 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 8 merupakan bagan satu garis suatu penyulang tanpa kapasitor shunt, dan fasor diagramnya dilihat pada gambar 10. Gambar 9 dan 11 masing-masing menggambarkan bagan satu garis dan fasor diagram bila saluran tersebut dipasang kapasitor shunt di ujung saluran [6]. Z = R + jx l Z = R + jx L Vs - I S I I + + Vr Vs I C - - X C + Vr - (a) (b) θ I V R V S IZ IX L I C IR θ I V R I C I (c) (d) Gambar 2.5 gambar diagram pemasangan kapasitor shunt V S IZ Sebelum kapasitor shunt dipasang pada ujung saluran, jatuh tegangan pada penyulang tersebut dapat dihitung : VD = IR cos θ + IX L sin θ (2.14)

9 atau VD = (I cos θ)r + (I sin θ) X L (2.15) atau VD = I R R + I X X L (2.16) Bila kapasitor dipasang pada ujung penerima dari saluran, seperti yang terlihat pada gambar 2.5 b dan d, secara pendekatan jatuh tegangan sekarang menjadi : VD = I R R + I X X L - I C X L (2.17) Perubahan jatuh tegangan sebelum dan sesudah dipasangnya kapasitor shunt dapat dinyatakan sebagai : VD = I C X L (2.18) 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 I C = komponen arus reaktif leading Adapun pemasangan yang akan diterapkan dalam tugas akhir ini adalah dengan kompensasi shunt (pemasangan kapasitor secara paralel terhadap jaringan), dimana alasan utama pemilihannya adalah masalah flexibilitas penggunaan kapasitor itu sendiri Metode Penentuan Lokasi Kapasitor Bank Ada beberapa metode yang dikembangkan dalam usaha untuk mengoptimalkan penggunaan kapasitor bank. Lokasi penempatan kapasitor bank tersebut akan mempengaruhi seberapa besar pengaruh pemakaian kapasitor bank terhadap perbaikan faktor daya jaringan. Pada dasarnya kapasitor bank paling baik ditempatkan di dekat pusat-pusat beban. Namun yang hal yang menyulitkan para engineer adalah menentukan dimana sebenarnya pusat beban tersebut. Karena pola konsumen yang bervariasi tentunya tidak dapat kita tentukan pusat beban begitu saja, kita butuh pendekatan-pendekatan untuk mengidentifikasi dimanakah pusat beban tersebut.

10 Dalam tugas akhir ini penulis akan membahas 2 teori dalam penempatan lokasi kapasitor bank yang optimum, yaitu teori 2/3 rule [7] oleh Neagle and Samson dan teori 1/2-kvar rule [8] oleh Grainger/Lee. a. Metode jarak Metode jarak ini secara luas digunakan oleh para engineer dalam menentukan size dan penempatan kapasitor untuk secara optimum mengurangi losses. Neagle and Samson mengembangkan pendekatan penempatan kapasitor untuk beban yang terdistribusi merata. Dari penelitian yang dilakukannya mereka mengembangkan teori metode jarak dalam memilih dan menempatkan kapasitor. Untuk beban yang terdistribusi merata, ukuran kapasitor yang optimum adalah 2/3 dari var yang dibutuhkan jaringan (lihat gambar 2.7). Penempatan yang optimal dari kapasitor adalah pada jarak 2/3 dari gardu ke ujung saluran. Dalam penempatan optimal untuk beban yang terdistribusi merata ini, sumber (gardu) menyuplai daya reaktif (var) untuk 1/3 panjang jaringan pertama, dan kapasitor bank menyuplai untuk 2/3 panjang jaringan berikutnya. Generalisasi dari metode jarak ini untuk n jumlah kapasitor, adalah size dari tiap kapasitor adalah sebesar 2/(2n+1) dari var yang dibutuhkan jaringan. Dan jarak untuk tiap kapasitor harus sama yaitu dimulai dari jarak 2/(2n+1) dari total panjang jaringan dari gardu sampai ke ujung saluran, dan kemudian menambahkan unit kapasitor selebihnya pada interval 2/(2n+1) dari total panjang saluran. Jadi total var yang disuplai oleh kapasitor bank adalah 2n/(2n+1) dari kebutuhan var jaringan. Jadi untuk menggunakan 3 kapasitor, maka size dari tiap-tiap kapasitor adalah 2/7 dari total var yang dibutuhkan dan ditempatkan pada jarak 2/7. 4/7, 6/7 dari jarak total dimulai dari gardu [7].

11 Gambar 2.6 penempatan kapasitor bank dengan metode jarak b. Metode aliran daya reaktif Grainger and Lee menyajikan metode yang sederhana namun optimal untuk menempatkan kapasitor pada jaringan dengan load profile yang beragam, bukan hanya untuk kondisi beban terdistribusi merata. Dengan metode Grainger and Lee, kita menggunakan profil dari beban reaktif dari jaringan untuk menentukan lokasi penempatan kapasitor (lihat gambar 2.8). Ide dasar dari metode ini adalah untuk menempatkan kapasitor bank pada jaringan dimana daya reaktif yang mengalir sama dengan setengah dari rating kapasitor(var-nya). Dengan metode aliran daya reaktif ini, kapasitor menyuplai setengah dari var-nya downstream dan setengah lagi upstream. Langkah- langkah pendekatanya adalah sebagai berikut [8] : - Pertama, pilih ukuran standar kapasitor. Umumnya ukurannya berkisar mulai dari 300 sampai 1200 kvar, namun ada beberapa kapasitor berukuran sampai 2400 kvar.

12 - Tentukan lokasi kapasitor bank pertama Mulailah dari ujung jaringan, tentukan lokasi kapasitor bank pada posisi dimana var yang mengalir adalah sama dengan setengah dari rating kapasitor (var-nya). - Tentukan lokasi kapasitor berikutnya Setelah kapasitor bank pertama ditempatkan, evaluasi ulang profil var jaringan tersebut. Kemudian bergeraklah upstream sampai di titik berikutnya dimana dimana var yang mengalir adalah sama dengan setengah dari rating kapasitor. Lanjutkan menempatkan kapasitor bank dengan cara yang sama sampai tidak ada lagi lokasi yang memenuhi kriteria (dimana var yang mengalir adalah sama dengan setengah dari rating kapasitor). Dalam hal ini kita tidak harus menggunakan kapasitor dengan ukuran yang sama. Kita dapat menempatkan sebuah kapasitor 300 kvar diposisi dimana aliran daya sama dengan 150 kvar, kemudian menempatkan kapasitor berikutnya yang ukurannya 600 kvar diposisi dimana aliran daya sama dengan 300 kvar dan terakhir menempatkan kapasitor 450 kvar diposisi dimana aliran daya sama dengan 225 kvar. Gambar 2.7 penempatan kapasitor bank dengan metode aliran daya reaktif

13 2.2.4 Penentuan Rating Kapasitor Adapun untuk menentukan rating kapasitor yang akan digunakan, hal yang perlu diketahui adalah keadaan jaringan sebelum pemasangan kapasitor dan harapan setelah pemasangan kapasitor. Untuk itu pertama sekali perlu diketahui faktor daya dari daerah tersebut, kemudian untuk menentukan ukuran kapasitor bank yang digunakan, maka perlu ditentukan juga nilai faktor daya yang ingin dicapai. Untuk menentukan nilai kapasitor bank yang di pakai, maka dapat menggunakan perhitungan-perhitungan sebagai berikut: PF awal Cos θ 1 = X θ 1 = Cos -1 X Q 1 = P x Tan θ 1 PF yang diinginkan Cos θ 2 = Y θ 2 = Cos -1 Y Q 2 = P x Tan θ 2 Nilai kapasitor yang harus dipasang : Q c = Q 1 Q 2 Rating unit kapasitor dari 50 kvar sampai lebih 500 kvar tersedia pada tabel. Tabel 2.2 menunjukkan rating kapasitor yang umum. Kapasitor bank pada feeder biasanya memiliki satu atau dua atau ( jarang ) tiga unit per phasa. Umumnya kapasitor bank hanya punya satu unit kapasitor per phasa.

14 IEEE Std menjelaskan petunjuk standar untuk penggunaan kapasitor. Kapasitor tidak boleh digunakan jika nilai berikut melewati batasan yang telah ditunjukkan (IEEE Std ) [9] : 135% dari Kvar pada nameplate 110% dari rating tegangan (rms), dan tegangan puncak tidak melebihi dari rating tegangan (rms) 135% dari arus nominal (rms) berdasarkan rating Kvar dan rating tegangan Tabel 2.1 Rating Kapasitor yang umum

15 2.3 ETAP (Electric Transient Analysis Program) ETAP power station adalah salah satu software simulasi dalam sistem ketenagalistrikan. Software ini bekerja dengan melakukan perhitungan dengan formula matematis terhadap pemodelan yang dilakukan terhadap jaringan real. Sehingga dengan simulasi ini dapat membantu pengguna untuk mengamati suatu operasi sistem ketenagalistrikan tanpa harus melakukan eksperimen secara langsung. Analisa tenaga listrik yang dapat dilakukan dengan menggunakan ETAP antara lain : - Analisa Aliran Daya (Load Flow Analysis) - Analisa Hubung Singkat (Short Circuit Analysis) - Motor Starting - Arc Flash Analysis - Harmonics Power System - Analisa Kestabilan Transien (Transient Stability Analysis) - Protective Device Coordination Dan dalam tugas akhir ini akan memanfaatkan analisa aliran daya dalam melakukan perhitungan rugi-rugi dan jatuh tegangan.berikut ini akan ditampilkan gambar tampilan jendela kerja pada ETAP power station. Gambar 2.8 Tampilan jendela kerja ETAP