ELPOSYS Jurnal Sistem Kelistrikan Vol. 03 No.1, ISSN: 2355 9195, E-ISSN: 2356-0533 Analisis Unjuk Kerja Tiga Unit Inter Bus Transformers 500 MVA 500/150/66 kv di GITET Kediri Aan M. Ilham *a), Rachmat Sutjipto B.Tech, MMT a), Sigi Syah Wibowo, B.Tech, M.T a) (Artikel diterima: September 2016, direvisi: Nopember 2016) Abstrak: Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi (GITET) Kediri adalah gardu induk dengan tegangan 500 kv. GITET Kediri melayani tiga sistem jaringan, yaitu sistem 500 kv, 150 kv, dan 66 kv untuk distribusi wilayah kabupaten maupun kota Kediri itu sendiri. GITET Kediri awalnya memiliki dua IBT. Kemudian GITET Kediri menambah satu unit IBT yang memiliki besaran sama dengan dua IBT yang sudah terpasang. Penambahan dilakukan dengan mempertimbangkan peramalan naiknya kebutuhan energi listrik yang berada dalam jaringan GITET Kediri pada lima atau enam tahun kedepan. Pertimbangan kelayakan operasi paralel tiga IBT GITET Kediri tersebut akan mengacu pada tiga analisis yaitu aliran daya tiga IBT, besaran arus sirkulasi saat tiga IBT operasi paralel, dan kemungkinan besaran arus hubung singkat. Ketika tiga IBT dioperasikan paralel, IBT 1 rata-rata dibebani 43,09% dari kapasitasnya, IBT 2 40,94 %, dan IBT 3 sebesar 38, 14%. Berdasarkan SPLN 17 :1979 dan IEC 60354, pembebanan maksimal yang tepat untuk ketiga IBT adalah 94% dari kapasitas masing-masing apabila dibebankan selama 24 jam secara terus-menerus. Dalam standar operasi paralel (IEC 60076-1), ketiga IBT tidak memenuhi syarat pada kesamaan nilai impedansinya. Namun untuk standar toleransi operasi paralel (IEC 60076-1 tabel 1.6), ketiga IBT masih memenuhi syarat karena nilai resultan impedansinya ±7,5%. Arus sirkulasi terjadi pada tanggal 17 Juni 2015 sampai 19 Juni 2015, dengan besaran 2,13%-3,42%. Standar arus sirkulasi operasi paralel trafo harus bernilai kurang dari 10% (IEC 60287). Kemungkinan arus hubung singkat tiga fasa yang terjadi apabila tiga IBT diparalel adalah sebesar 14 ka. Dengan arus yang mengalir pada tiap-tiap IBT bernilai 4,4kA dan 4,8 ka. Nilai breaking capacity dan making capacity PMT outgoing masing-masing IBT sebesar 40 dan 50 ka. Berdasarkan tiga analisa tersebut, tiga IBT dapat dioperasikan paralel karena memenuhi standar untuk arus sirkulasi yaitu kurang dari 10% dan besaran hubung singkat yang lebih lebih kecil dari breaking capacity dan making capacity PMT outgoing masing-masing IBT, serta memiliki aliran daya yang tidak melebihi kapasitas dari tiap IBTnya saat beroperasi paralel dengan nilai resultan impedansi ±7,5%. Kata-kata kunci : impedansi hubung singkat, paralel, arus sirkulasi, hubung singkat. 1. Pendahuluan Sistem ketenagalistrikan terdiri dari tiga bagian utama, yaitu sistem pembangkitan, transmisi, dan distribusi. Sistem pembangkitan merupakan elemen awal dari sebuah jaringan dan menjadi sumber supply energi listrik. Energi yang dibangkitkan tadi ditransmisikan menuju gardu induk. Kemudian di dalam gardu induk, energi listrik akan mengalami transformasi tegangan dan selanjutnya didistribusikan menuju beban-beban pelanggan tegangan menengah ataupun tegangan rendah melalui penyulang dari tiap-tiap gardu induk. Gardu induk merupakan sub-sub sistem dari sistem tenaga listrik. Fungsi utama dari gardu induk adalah mentransformasikan tegangan ekstra tinggi ke tegangan tinggi, dari tegangan tinggi ke sesama tegangan tinggi, atau dari tegangan tinggi ke tegangan menengah dan sebagai media pengukuran, pengawasan operasi, serta pengaturan pengamanan sistem tenaga listrik. Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi (GITET) Kediri adalah gardu induk dengan tegangan 500 kv dan terletak di jalan Kapten Tandean kota Kediri. GITET Kediri melayani tiga sistem jaringan, * Korespondensi: aanilham58@gmail.com a) Prodi Sistem Kelistrikan, Jurusan Teknik Elektro, Polinema. Jalan Soekarno-Hatta No. 9 Malang 65141 1 yaitu sistem 500 kv, 150 kv, dan 66 kv untuk distribusi wilayah kabupaten maupun kota Kediri itu sendiri. GITET Kediri awalnya memiliki dua IBT. IBT adalah trafo yang mentransformasikan tegangan 500 kv menjadi 150 kv atau dari 150 kv menjadi 70 kv. Dua IBT Kediri memiliki kapasitas masing-masing sebesar 500 MVA yang dioperasikan secara paralel untuk memikul beban jaringan GITET Kediri. Berdasarkan standard IEC 60076-8:1997, dua trafo atau lebih dapat diparalel apabila memiliki polaritas yang sama, tegangan kerja perfasa sama, dan impedansi yang sama. Pada saat ini GITET Kediri menambah satu unit IBT yang memiliki besaran sama dengan dua IBT yang sudah terpasang. Penambahan dilakukan karena mempertimbangkan peramalan naiknya kebutuhan energi listrik yang berada dalam jaringan GITET Kediri pada lima atau enam tahun ke depan. Sesuai dengan latar belakang yang telah diuraikan, pembahasan ini akan difokuskan pada: 1. Bagaimana aliran daya di masing-masing IBT ketika tiga IBT dioperasikan paralel? 2. Bagaimana analisis circulating current tiga IBT GITET Kediri
ketika semua diparalel? 3. Bagaimana analisa hubung singkat tiga fasa pada bus outgoing 150 kv GITET Kediri ketika tiga IBT diparalel dan pengaruh terhadap breaking capacity serta making capacity peralatan terpasang? Dikarenakan luasnya permasalahan, maka diperlukan adanya pembatasan masalah. Adapun pembatasan masalah dalam penulisan laporan akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Pembahasan hanya meliputi tiga IBT GITET Kediri. 2. Software simulasi menggunakan ETAP 3. Analisa gangguan hanya hubung singkat tiga fasa dan satu fasa ke tanah di IBT GITET Kediri. 4. Pembahasan pengaman hanya PMT dari outgoing GITET Kediri. Tujuan dari penulisan Skripsi di GITET Kediri ini meliputi beberapa aspek diantaranya: 1. Untuk mengetahui bagaimana aliran daya di masing-masing IBT ketika tiga IBT dioperasikan parallel 2. Untuk mengetahui bagaimana analisis circulating current tiga IBT GITET Kediri ketika semua diparalel 3. Untuk mengetahui bagaimana analisa hubung singkat tiga fasa pada bus outgoing 150 kv GITET Kediri ketika tiga IBT diparalel dan pengaruh terhadap breaking capacity serta making capacity peralatan terpasang. 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Standar Operasi Paralel Trafo Adapun standar dari operasi paralel trafo dapat dilihat sebagai berikut [1]: 1. Daya keluaran sama. Rasio dari daya rata-rata trafo-trafo tersebut kurang dari 3:1 2. Rasio tegangan harus sama (toleransi yang diizinkan menurut IEC 60076-1, Table 1.6) 3. Impedansi short-circuit sama (toleransi yang diizinkan menurut IEC 60076-1, Table 1.6) 4. Vektor groups harus sama dan koneksi harus dilaksanakan dengan sesuai terminal U-u, V-v, W-w. Dengan kata lain, trafo harus memiliki sudut fasa pada 5. Kumparan primer dan sekunder sama, polaritas sama, dan urutan fasa yang sama. Tabel 1. Batas toleransi operasi paralel trafo Untuk menentukan resultan impedansi (Uk) saat memparalel tiga trafo adalah dengan menggunakan rumus berikut [2]: Sn = Sn 1 + Sn 2 + Sn 3 Uk Uk 1 Uk 2 Uk 3... (1) Di mana : Sn = Daya total dari tiga trafo (MVA) Uk = Resultan impedansi (%) Sn1 = Daya trafo 1 (MVA) Uk1 = Impedansi hubung singkat trafo 1 (%) Sn2 = Daya trafo 2 (MVA) Uk2 = Impedansi hubung singkat trafo 2 (%) Sn3 = Daya trafo 3 (MVA) Uk3 = Impedansi hubung singkat trafo 3 (%) 2.2 Circulating current pada transformator Arus sirkulasi (circulating current) adalah arus yang muncul dikarenakan tidak tercapainya keserasian dalam memparalel dua trafo atau lebih. Circulating current dapat menyebabkan belitan pada trafo menjadi panas sehingga mengurangi usia dari trafo tersebut. Rasio tegangan dari kumparan primer dan sekunder trafo yang tidak sama dan impedansi short-circuit yang berbeda sangat besar akan berpotensi munculnya circulating current saat trafo-trafo tersebut disambungkan ke beban. Persamaan untuk mencari besaran circulating current adalah sebagai berikut [3]: %Ic = %e x 100 (%R1+k %R2) 2 + (%X1+k %X2) 2... (2) Dimana % Ic adalah persentasi arus sirkulasi terhadap arus beban penuh. k adalah perbadingan daya semu trafo 1 dengan trafo 2. %e adalah perbedaan tegangan rasio dinyatakan dalam persentase normal. %R dan %Z adalah persentase resistansi dan persentase impedansi trafo. Apabila rasio X/R kedua trafo sama, maka rumus yang digunakan adalah: %Ic = %e x 100 %Z1+k %Z2... (3) Persamaan untuk menentukan nilai dari %R dan %X dari trafo adalah: %R = %Z [ X R 2 +1] 1/2... (4) %X = %R x X...(5) R Berdasarkan standar IEC 60287, arus sirkulasi yang terjadi saat dua atau lebih trafo diparalel tidak harus kurang dari 10% arus nominal dari trafo yang diparalel. 2.3 Gangguan Hubung Singkat Perhitungan praktis untuk menghitung besar arus hubung singkat dalam sistem transmisi dapat dilakukan sebagai berikut: Hubung Singkat Tiga Fasa Hubung singkat ini melibatkan ketiga fasa. Arus hubung singkat 2 Jurnal Skripsi Diploma 4 Sistem Kelistrikan, POLINEMA
tiga fasa diberikan oleh persamaan berikut [4]: Ia1 = Ia2 = Ia0 Iscpu = E...(6) X1 Keterangan: E : Tegangan dengan nilai 1 0 X1 : Impedansi ekivalen urutan positif Sehingga penyaluran daya nyata (MW) dan daya reaktif (MVAR) terbesar jika dirata-rata dalam tiga kali waktu pengukuran adalah ada pada IBT 2 GITET Kediri. IBT 1 dan IBT 3 GITET Kediri juga menyuplai daya yang relative hampir sama dengan IBT 2. Maka dapat dikatakan penyuplai daya utama dalam jaringan Subsistem GITET Kediri adalah tiga unit IBT GITET Kediri. PLTA SPM dan PLTA Tulungagung juga turut membantu dalam proses penyaluran daya di Subsistem Kediri. Gambar 2. Grafik Suplai Daya Nyata Gambar 1. Diagram Alir Penyelesaian Skripsi 3. Metode Penelitian Waktu Pelaksanaan : 21 September 2015 23 Maret 2016 Tempat Pelaksanaan : Area Pengatur Beban (APB) Jawa Timur, Area Pelaksana Pemeliharaan (APP) Madiun, Gardu Induk Tegangan Ekstra Tinggi Kediri, dan Kampus Politeknik Negeri Malang. Diagram alir penyelesaian penelitian ditunjukkan pada Gambar 1. 4. Pembahasan 4.1 Aliran Daya Operasi Paralel Tiga IBT GITET Kediri Simulasi dilakukan untuk mengetahui bagaimana aliran daya dan suplai daya pada saat pembebanan rata-rata pada pukul 10:00, 14:00, dan 19:00 WIB pada tanggal 12-19 Juni 2015. Hasil simulasinya ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3. Selama kurun waktu delapan hari, sesuai dengan Gambar 2, Generator Unit 2 PLTU Pacitan menyalurkan daya nyata (MW) terbesar dalam jaringan yaitu 211,95 MW (jam 10), 248,46 MW (jam 14), dan 262.5 MW (jam 19). Namun apabila diamati dari gambar hasil simulasi dan data record PLN, daya yang disalurkan oleh Generator Unit 2 PLTU Pacitan sebagian besar lebih banyak menuju jaringan Jawa Tengah. Hanya sebagian kecil saja yang masuk ke jaringan Subsistem GITET Kediri antara lain 71,12 MW (jam 10), 67,28 MW (jam 14), serta 122,48 MW (jam 19). Gambar 3. Grafik Suplai Daya Reaktif IBT 1, 2, dan 3 GITET Kediri memiliki kapasitas masing-masing sebesar 500 MVA. Dalam operasi paralel yang berlangsung selama delapan hari, tiap-tiap IBT beroperasi dibawah 50 % dari kapasitasnya. Adapun rincian persentase operasi tiga IBT dapat dilihat pada tabel dibawah ini: Tabel 2. Persentase operasi tiga unit IBT GITET Kediri IBT 1 bekerja dengan sistem pendingin ONAF, IBT 2 dengan sistem pendingin OFAF, dan IBT 3 dengan ODAF. Sesuai dengan tabel xx, operasi tertinggi rata-rata tiap IBT selama delapan hari berada pada pukul 19.00 WIB. Berdasarkan SPLN 17:1979 dan 3 Jurnal Skripsi Diploma 4 Sistem Kelistrikan, POLINEMA
IEC 60354 yang mempertimbangkan aspek pembebanan rata-rata, durasi operasi, dan suhu sekitar. Pembebanan maksimal yang teap untuk menjaga usia dari tiga IBT adalah masih-masing sebesar 94% dari kapasitasnya. 4.2 Analisis Kinerja Operasi Tiga IBT GITET Kediri Standar dari paralel trafo dimuat dalam IEC 60076. Dimana trafo yang diparalel harus memiliki daya yang sama, rasio tegangan sama, impedansi sama, serta vector grup yang sama. Berikut tabel perbandingan tiga IBT yang menunjukan apakah tiga IBT dapat diparalel atau tidak: dikarenakan adanya perbedaan rasio tegangan dari tiga IBT, hal itulah yang terjadi pada tanggal 17 Juni pukul 10 WIB, 18 Juni pukul 19 WIB, serta 19 Juni pukul 19 WIB. Tabel 4. Pembagian Beban Tiga IBT GITET Kediri Tabel 3. Perbandingan tiga IBT GITET Kediri Ketidak samaan dalam perbandingan tiga IBT terdapat pada nilai impedansinya. Berdasarkan standar IEC 60076-1, toleransi ketidaksamaan untuk impedansi hubung singkat adalah: 1. Nilai Uk (tegangan impedansi hubungsikat) pengganti harus ±7,5 % apabila Uk dari trafo yang diparalel bernilai lebih dari atau sama dengan 10% 2. Nilai Uk (tegangan impedansi hubungsikat) pengganti harus ±10 % apabila Uk dari trafo yang diparalel bernilai kurang dari 10 % Tabel 5. Pembagian Beban Tiga IBT GITET Kediri Dengan menggunakan Persamaan 1 serta data total pembebanan tiga IBT, maka didapatakn nilai %Uk dan pembagian beban berdasarkan nilai impedansi dari IBT itu sendiri, terlihat pada Tabel 4. Berdasarkan Tabel 5, dapat dikatakan besaran daya pembebanan tiga IBT saat beroperasi paralel tidak sama rata. Hal ini tidak lepas dikarenakan adanya perbedaan besaran persentasi impedansi hubung singkat dari tiga IBT. Namun tiga IBT masih dianjurkan untuk beroperasi paralel karena nilai %Uk sesuai dengan standar dengan daya yang dikeluarkan berada di bawah daya nominal masing-masing IBT tersebut. Selain itu, operasi paralel ini juga berpotensi menimbulkan arus sirkulasi akibat perbedaan rasio tegangan pada tanggal 17 Juni (jam 10 WIB), 18 Juni (jam 19 WIB), dan 19 Juni (jam 19 WIB) seperti yang tertera pada Tabel 4. 4.3 Arus Sirkulasi Paralel Tiga IBT GITET Kediri Arus sirkulasi timbul karena adanya ketidakserasian saat memparalel tiga IBT. Ketiak seraisain kali ini timbul akibat perbedaan impedansi masing-masing IBT yang sudah melebihi batas toleransi yang diijinkan. Namun arus sirkulasi tidak bisa terjadi cuma karena perbedaan impedansi saja, melainkan juga Arus sirkulasi (circulating current) dapat membahayakan usia dari IBT apabila besaran arus sirkulasi sama dengan atau lebih dari 10% arus beban nominalnya (standar IEC 60287). Adapun besaran arus sirkulasi yang terjadi saat tiga IBT GITET Kediri di paralel adalah ditunjukkan pada Tabel 6. Tabel 6. Hasil Perhitungan Arus Sirkulasi 4 Jurnal Skripsi Diploma 4 Sistem Kelistrikan, POLINEMA
Dari beberapa tabel diatas, besaran arus sirkulasi dalam operasi paralel tiga IBT GITET Kediri tidak ada yang melebihi besaran 10%. Semua arus sirkulasi yang terjadi berada dibawah standar maksimal berasaran arus sirkulasi yang diijinkan. Tabel 9. Arus hubung singkat pada sisi sekunder tiap IBT 4.4 Gangguan Hubung Singkat pada Operasi Paralel Tiga IBT Arus gangguan pada bus Gambar 4.Titik Gangguan di GITET Kediri Tabel 7. Impedansi Hubung Singkat Tabel 8. Hasil Perhitungan Arus Hubung Singkat Arus yang mengalir pada tiap IBT Gambar 5. Arus yang mengalir pada masing-masing IBT 5. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat ditarik dari analisis unjuk kerja tiga IBT GITET Kediri adalah sebagai berikut : 1. Berdasarkan hasil simulasi, Suplai utama pada jaringan subsistem Kediri adalah tiga IBT GITET Kediri. persentase pembebanan rata-rata tiga IBT GITET Kediri paling besar berada pada pukul 19.00 WIB. Dimana IBT 1 dibebani 43,09% dari kapasitasnya, IBT 2 40,94 %, dan IBT 3 sebesar 38, 14%. Dari pembebanan rata-rata terbesar ini dapat tentukan nilai pembebanan maksimal yang ideal berdasarkan SPLN 17 :1979 dan IEC 60354. Dari standar-standar tersebut didapatkan, pembebanan maksimal yang tepat untuk ketiga IBT adalah 94% dari kapasitas masing-masing apabila dibebankan selama 24 jam secara terus-menerus. Dalam standar operasi paralel, ketiga IBT tidak memenuhi syarat pada kesamaan nilai impedansinya. Namun untuk standar toleransi operasi paralel, ketiga IBT masih memenuhi syarat karena nilai resultan impedansi bernilai ±7,5%. 2. Arus sirkulasi terjadi pada tanggal 17 Juni 2015 pukul 10.00 WIB, 18 Juni 2015 pukul 19.00 WIB, dan 19 Juni pukul 19.00 WIB. Di tanggal 17 Juni 2015 pukul 10.00 WIB, arus sirkulasi yang timbul antar IBT 1 dengan IBT 2 sebesar 2,2%, sedangkan atar IBT 1 dengan IBT 3 sebesar 2,13%. Tanggal 18 Juni pukul 19.00 WIB, arus sirkulasi antar IBT 1 dengan IBT 2 adalah 3,42%, antar IBT 1 dengan IBT 3 3,27%. Dan pada tanggal 19 Juni pukul 19.00 WIB, dimana IBT 1 sudah tidak dimasukan dalam jaringan, besaran arus sirkulasi yang ada di IBT 2 dan IBT 3 adalah 2,46%. Nilai arus sirkulasi yang terjadi saat oeprasi paralel tiga IBT masih berada dalam standar yang diijinkan karena bernilai kurang dari 10%. 3. Berdasarkan perhitungan, arus hubung singkat tiga fasa yang terjadi apabila tiga IBT diparalel adalah sebesar 14 ka. Arus yang mengalir pada IBT 1 dan IBT 2 saat hubung singkat tiga fasa berada pada kisaran 4,8 ka. Sedangkan arus yang mengalir di IBT 3 bernilai 4,4 ka pada hubung singkat tiga fasa. Besaran hubung singkat masih berada dibawah breaking capacity dan making capacity PMT outgoing masing-masing IBT. Dalam skripsi ini dapat diambil saran sehingga dapat dijadikan pertimbangan dalam mengoperasikan tiga IBT GITET Kediri yaitu berdasarkan pertimbangan hubung singkat tiga fasa dan arus sirkulasi di GITET Kediri, sistem operasi paralel tiga unit IBT GITET Kediri layak untuk dipasang. 5 Jurnal Skripsi Diploma 4 Sistem Kelistrikan, POLINEMA
Daftar Pustaka (1) S.Georgilakis, Pavlos, 2009: Spotlight on Modern Transformer Design. Greece : Chania (2) Zientek, PE, Square D Engineering Services, 2011: Loading Considerations When Paralleling Transformers (3) Stevenson,W.D, 1984:Power System Analysis. New York : Mc Graw Hil 6 Jurnal Skripsi Diploma 4 Sistem Kelistrikan, POLINEMA