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 20155 INDONESIA Email:
[email protected]
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
2. Kualitas Daya Listrik
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.
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:
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.
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-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 2.3 Kapasitor Bank
secara utuh pada beban resistif (Watt). Dalam hal ini nilai daya total/ semu (VA) sama dengan daya aktif (Watt).
Kapasitor bank memberikan manfaat yang besar untuk kinerja sistem distribusi. Dimana kapasitor bank dapat mengurangi losses, memperbesar kapasitas layanan dan mengurangi jatuhc tegangan [2]:
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.
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 I2R 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.
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 : ∆Vp = IR cosθ + IX sinθ ........................... (2) ∆∆Vp = R
+X
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 + jXL I’ IC
................................... (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.
I XC
Gambar 1. Diagram satu garis
Gambar 2. Fasor Diagram -63-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
Bila kapasitor dipasang pada ujung penerima dari saluran, seperti yang terlihat pada gambar 1 dan 2, secara pendekatan jatuh tegangan sekarang menjadi : VD = IRR + IXXL - ICXL ............................ (4) Dimana : R = tahanan total dari sirkuit penyulang XL = reaktansi induktif total dari penyulang IR = komponen arus aktif IX = komponen arus reaktif lagging IC = komponen arus reaktif leading 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-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 Tabel 4.2 Data Power Faktor dan Rugi-rugi
mulai dari aliran daya, rugi-rugi, drop tegangan, dan lain sebagainya.
MW Mvar MVA % PF
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.
Tabel 1. Sampling tegangan jaringan yang paling buruk
Actual (%)
1
Bus177
20,000
17,6252
88,126
2
Bus179
20,000
17,6273
88,136
3
Bus176
20,000
17,6281
88,141
4
Bus174
20,000
17,6315
88,158
5
Bus173
20,000
17,6318
88,159
6
Bus171
20,000
17,6359
88,179
7
Bus169
20,000
17,6466
88,233
8
Bus188
20,000
17,6467
88,233
9
Bus186
20,000
17,6469
88,234
10
Bus168
20,000
17,6471
88,236
T.Motor Load:
2,282 1,414 2,684 85,00
T.Static Load:
0,758 0,469 0,891 85,00
Besar jaringan : Qc = = =
Tegangan kV
3,322 2,479 4,145 80,14
Cos θ 2 = θ2 = Q2 = = = = =
Pada Tabel 1 ditunjukkan 10 lokasi/ bus pada jaringan srikandi yang memiliki tegangan TM terburuk sebelum dilakukannya pemasangan kapasitor bank.
nominal (kV)
T.Demand:
0,283 0,596
Untuk memperbaiki faktor daya jaringan menjadi 0,9 maka dibutuhkan kapasitas kapasitor bank dengan perhitungan sebagai berikut:
4.1 Data Aliran Daya Feeder Srikandi Sebelum Pemasangan Kapasitor Bank
bus
3,322 2,479 4,145 80,14
Rugi-rugi:
4. Hasil dan Pembahasan
no
Source :
0,9 Cos-1 0,9 P x Tan θ 2 3,322 Tan (Cos-1 0,9) 3,322 Tan 28,842o 3,322 x 0,484 1,608 Mvar kapasitor yang harus dipasang pada Q1 – Q2 (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 skenario dengan variasi jumlah dan lokasi kapasitor bank yang dipasang. Sehingga diperoleh 12 variasi data hasil simulasi yang akan dikaji untuk mendapatkan metode dan skenario 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.
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.
-65-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 Representasi dari keenam skenario dengan menggunakan metode aliran daya reaktif dapat dilihat pada Tabel 4.
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 skenario dengan menggunakan metode jarak dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 4 Profil perbaikan teg. dan rugi-rugi ratarata tiap skenario (metode aliran daya reaktif) rugi-rugi jaringan total (KW)
Tegangan no
perbaikan tegangan rata-rata Tiap rata-rata skenario tiap total (KW) rata-rata (KW) skenario total (kV) (kV)
1
18,150
228,8
2
18,189
228,4
Tabel 3 Profil perbaikan tegangan dan rugirugi rata-rata tiap skenario (metode jarak)
3
18,190
rugi-rugi jaringan total (KW)
4
18,184
228,3
perbaikan tegangan rata-rata Tiap rata-rata skenario tiap total (KW) rata-rata (KW) skenario total (kV) (kV)
5
18,186
228,3
6
18,188
228,3
Tegangan no
1
18,073
230,6
2
18,053
234,4
3
18,006
235,5
4
18,026
237,3
5
18,022
236,8
6
18,030
235,8
228,4
4.3 Analisa Finansial Analisis kelayakan finansial ini ditujukan untuk mendapatkan skenario terbaik dari keenam variasi skenario yang terdapat pada metode aliran daya reaktif. Secara khusus subbab ini akan menggunakan pendekatan ekonomi atau finansial dalam mencari skenario 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% 2,22
238,1 18,035
228,3 18,181
b. Metode Aliran Daya Reaktif [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.
4.3 Scoring System Dari analisa teknis yang dilakukan tampak bahwa metode aliran daya reaktif lebih efektif daripada metode jarak. Selanjutnya akan dilakukan perbandingan pada keenam skenario yang menggunakan metode aliran daya reakif dalam metode pemasangan kapasitor bank pada feeder srikandi dengan metode scoring. -66-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
Scoring terhadap parameter tegangan, rugirugi, IRR, dan BCR ditunjukkan masing-masing pada Tabel 6, Tabel 7, Tabel 8 dan Tabel 9.
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%.
Tabel 6. Scoring parameter tegangan no interval score 1 18,100 – 18,119 1 2 18,121 – 18,139 2 3 18,141 – 18,159 3 4 18,160 – 18,179 4 5 18,180 – 18,199 5
2. Dalam melakukan pemasangannya kapasitor bank perlu memperhatikan karakteristik dan persebaran beban pada jaringan tersebut sehingga diperoleh metode yang sesuai.
Tabel 7. Scoring parameter rugi-rugi no interval score 1 228,01 – 228,20 5 2 228,21 – 228,40 4 3 228,41 – 228,60 3 4 228,61 – 228,80 2 5 228,81 – 229,00 1
no 1 2 3 4 5
Tabel 8. Scoring parameter IRR interval score 20,0 – 26,0 1 27,0 – 33,0 2 34,0 – 40,0 3 41,0 – 47,0 4 5 48,0 – 54,0
no 1 2 3 4 5
Tabel 9. Scoring parameter BCR interval score 2,10 – 2,60 1 2,70 – 3,20 2 3,30 – 3,80 3 3,90 – 4,40 4 4,50 – 5,00 5
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 skenario 2.
6. Daftar Pustaka [1] Dugan, Roger C. Electrical Power System Quality. New York : The McGraw-Hill Companies, Inc ; 1996. [2] T.A Short. Electric Power Distribution Hand Book. USA : CRC Press LLC ; 2004. [3] Gonen, Turan. Electric Power Distribution System Engineering”. New York : Mc Grawhill ; 1986. [4] Neagle, N. M. and Samson, D. R. Loss Reduction from Capacitors Installed on Primary Feeders. AIEE Transactions, vol. 75, pp. 950–9, Part III, October 1956. [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. 1005–18, March 1981.
Berikut ini ditampilkan scoring terhadap tiap skenario dengan parameter teknis dan finansial pada Tabel 10. Tabel 10. Scoring terhadap tiap skenario dengan parameter teknis dan finansial
-67-
copyright @ DTE FT USU
