ANALISA GANGGUAN PADA ELECTRIC ARC FURNACE (EAF) AKIBAT ARUS INRUSH TRANSFORMATOR & RESONANSI FILTER HARMONISA PABRIK PELEBURAN BAJA PT. ISPATINDO Gunawan Muhammad, Ontoseno Penangsang, Heri Suryoatmojo Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Dalam tugas akhir ini akan dibahas bagaimana cara untuk mengatasi arus inrush pada transformator arc furnace dan arus harmonisa yang dihasilkan beban akibat proses switcing beban arc furnace yang mempertimbangkan arus harmonisa orde 2 terhadap kinerja filter harmonisa dan koreksi setting relay pada saat timbulnya arus inrush tersebut.
Abstrak--Tungku busur listrik (arc furnace) merupakan peralatan utama di pabrik peleburan baja ( PT. ISPATINDO ) yang juga merupakan sumber harmonisa. Proses switching beban arc furnace berpengaruh pada aliran daya pada sistem sehingga sistem perlu dilakukan analisa. Pada tugas akhir ini, dibahas tentang analisa timbulnya arus inrush dan arus harmonisa pada saluran dengan beban arc furnace. Tugas akhir ini memaparkan tentang pengaruh arus inrush dan arus harmonisa sesaat dengan magnitude yang sangat tinggi pada orde ke 2 dan resonansi pada saat saluran dipasang filter harmonisa. Pada simulasi terdeteksi pada beban arc furnace dan transformator 65 sumber harmonisa sebesar 43,40% dan 58,32% dari arus fundamentalnya. Kemudian pemasangan filter juga menjadi masalah yang menghasilkan resonansi parallel pada 410 Hz . Gangguan-gangguan harmonisa diatas menjadi salah satu parameter dalam setting rele arus lebih sehingga suplai daya tetap aman walaupun gangguan-gangguan tersebut terjadi dan setelah dilakukan evaluasi, nilai arus harmonisa total bisa ditekan sebesar 3,5% dari gangguan semula sebesar 16,95% . Kata Kunci: Harmonisa, inrush current ,resonansi , relay arus lebih, arc furnace.
II. LANDASAN TEORI 2 .1 Fenomena Arus Inrush Pada saat transformator dihubungkan terhadap suatu sumber tegangan (energize) akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat sampai tercapai kondisi steady state. Arus awal ini disebut sebagai arus inrush dan besarnya dapat mencapai 8 sampai 30 kali arus nominal. Arus inrush ini perlu mendapat perhatian khusus karena pengaruhnya dapat mengganggu pengoperasian pengaman, tergantung keadaan awal saat transformator tersebut dihubungkan. Faktor-faktor yang mempengaruhi besar dan lamanya arus inrush ini antara lain adalah magnitude tegangan suplay saat energize, flux sisa pada inti trafo dan impedansi sumber dan impedansi sistem.
I. PENDAHULUAN Transformator merupakan peralatan listrik yang berfungsi sebagai alat bantu penyedia daya listrik pada setiap kegiatan sektor bisnis atau industri. Di industri peleburan baja PT Ispat Indo terdapat beban non-linear seperti motor induksi, pengaturan kecepatan motor, dan tungku busur api. Beban non linier akan memberikan bentuk gelombang keluaran yang tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi), fenomena harmonik yang utama pada PT. Ispat Indo yaitu akibat dari beban tungku busur api. Masalah yang timbul adalah akibat terdistorsinya tegangan / arus yang ada pada sistem akibat penjumlahan harmonik yang muncul. Terdistorsinya gelombang tegangan tersebut, akan berujung pada unjuk kerja transformator daya, di antaranya temperatur dan efisiensi. Dalam industri peleburan baja masalah utama lain yang sering timbul adalah inrush current atau dapat disebut pula arus berlebih pada transformator pada saat beban electric arc furnace dan transformator dalam keadaan bekerja (energize). Kemudian beban electric arc furnace yang bersifat non linier dapat juga membangkitkan arus harmonisa, dimana arus harmonisa ini bersifat menyuntikkan arus perusak yang kembali ke sistem. Dalam keadaan ini, diperlukan suatu filter harmonisa untuk menjaga kualitas daya pada sistem. Namun, pengkompensasian dengan filter harmonisa juga menimbulkan masalah resonansi pada impedansi sistem.
2.2 Resonansi Filter Resonansi Paralel Resonansi paralel akan menghasilkan impedansi yang tinggi. Sehingga jika frekuensi harmonisa sama dengan frekuensi resonansi paralel, maka akan terjadi tegangan yang tinggi pada terminal kapasitor. Frekuensi resonansi paralel adalah
f
p
f
Ss Sc
Dimana: f : frekuensi fundamental (Hz) fp : frekuensi resonansi paralel (Hz) Ss : rating sumber short circuit (VAR) Sc : rating kapasitor (VAR) Berikut contoh terjadinya resonansi pararel pada jaringan:
1
sumber harmonisa harmonisa
Induktansi transformator
III. SISTEM KELISTRIKAN Bentuk sistem kelistrikan yang dipakai oleh PT. Ispat Indo, Surabaya adalah sistem distribusi radial. Sistem ini disuplai oleh dua feeder dari PLN Waru yaitu Waru 1 dan Waru 2 dan masing-masing dengan tegangan 150 KV dan daya 495 MVAsc. Berikut ini gambar sistem kelistrikan yang dianalisa:
K apasitansi dari K apasitor bank
K apasitor bank
konverter
Gambar 1. Fenomena Resonansi Paralel
Pada Gambar 1. di atas, resonansi paralel terjadi ketika sumber harmonisa (harmonic source : Variable Speed Drive) bertemu dengan kapasitor bank yang dipasang pada busbar yang sama dengan sumber harmonisa tersebut dan terhubung dengan transformator yang memiliki induktansi yang tinggi. Resonansi Seri Resonansi seri akan mengakibatkan impedansi menjadi sangat kecil sehingga arus yang tinggi dapat mengalir ke kapasitor. Frekuensi pada saat terjadi resonansi seri adalah
fs f
S1 S2 12 S c Z1 S c Gambar 3. Single line diagram PT. Ispatindo yang dianalisa
dengan, f : frekuensi fundamental (Hz) fs : frekuensi resonansi seri (Hz) S1 : rating transformator (VAR) Sc : rating kapasitor bank (VAR) Zl : impedansi transformator dalam pu harmonisa
IV. SIMULASI DAN ANALISIS 4.1 Pemodelan sistem Tugas akhir kali ini akan dibahas tentang analisa gangguan pada Electric Arc Furnace akibat arus inrush pada transformator dan resonansi filter harmonisa pada single line diagram PT. Ispat Indo
Induktansi transformator
4.2 Fenomena Inrush Current Fenomena inrush curent pada tugas akhir ini didapatkan dari akibat proses switching pada beban arc furnace yang mengakibatkan timbulnya arus harmonisa orde 2 dan 3 yang dominan. Maka dari itu transformator TR 65 dan pada beban arc furnace disimulasikan dengan memasukkan sumber harmonisa dengan nilai prosentase sebagai berikut:
sumber harmonisa
konverter Kapasitor bank
Kapasitansi dari Kapasitor bank
Gambar 2. Fenomena resonansi seri Tabel
2.3 Filter Harmonisa Filter pasif tersusun dari induktansi, kapasitansi, dan resistansi. Filter pasif ini mempunyai beberapa bentuk, berdasarkan susunan rangkaian komponen-komponen penyusunnya. Secara umum filter pasif dapat dibedakan dalam tiga jenis : Filter dengan penalaan tunggal (Single Tuned Shunt Filter). Filter dengan penalaan ganda (Double Tuned Filter). High Pass Damp Filter Type.
1.
Arus harmonis a Trafo 65 Beban Arc furnace
Hasil tabulasi prosentase arus harmonisa transformator 65 dan beban arc furnace.
pada
1
2
3
4
5
7
11
13
100 %
58.32 %
61.69 %
9%
2.8 9%
1.2 7%
0.00076 %
0.0 1%
100 %
43.40 %
12.17 %
9.6 %
7.8 %
2.8 8%
8.35%
6.5 3%
Dari Tabel 1 diatas terlihat terjadi adanya arus harmonisa dominan yaitu pada orde ke 2 dan ke 3 yang nilainya sebesar 58.32% pada trafo 65 dan sebesar 43.40 % pada beban electric arc furnace. Hal ini terjadi karena pada saat trafo terjadi inrush maka akan cenderung bersamaan muncul sumber harmonisa orde 2 yang tinggi.
2
frekuensi 410 Hz sebesar 16,11 Ω, dan impedansi yang rendah dengan frekuensi 170 Hz sebesar 3,95Ω. 4.4 Koreksi kordinasi proteksi
Gambar 6. Single line diagram dari bus 100 sampai bus PLN
Koordinasi proteksi dengan harmonisa dilakukan agar saat sistem terdapat arus harmonisa akibat fenomena inrush current tidak akan mengganggu seting dari sistem kelistrikan, berikut adalah settingan sebelum dan sesudah mempertimbangkan gangguan harmonisa:
Gambar 4.. Single line hasil simulasi akibat timbulnya inrush current
4.3 Fenomena Resonansi Paralel Langkah selanjutnya adalah melihat respons frekuensi pada bus ABB panel apakah dengan pemasangan filter harmonisa tersebut akan menyebabkan fenomena resonansi paralel. Resonansi paralel mengakibatkan tegangan sesaat pada sistem lokal menjadi sangat tinggi jika terdapat arus pada frekuensi resonan. Hal ini dapat terjadi karena pada frekuensi resonan, impedansi yang terjadi pada sistem lokal menjadi sangat besar sehingga akan timbul tegangan sesaat yang sangat besar pada sistem lokal. Jika frekuensi resonan ini terjadi pada orde harmonik arus yang dominan, maka akan mengakibatkan tegangan sesaat sistem lokal menjadi sangat besar. Hal ini dikarenakan tangan adalah perkalian dari impedansi dan arus. Berikut ini adalah plot dari impedansi sistem:
Gambar 7. Kurva proteksi sebelum adanya arus gangguan harmonisa
Pada saat gangguan, arus harmonisa yang melewati saluran tercatat sebesar 2138,5 A pada sekitar 4,5 detik oleh karena itu perlu di koordinasi ulang menjadi seperti gambar berikut.
Gambar 5. Kurva impedansi pada bus ABB Panel
Pada Gambar 5. diatas terlihat bahwa pemasangan filter harmonisa ke 2 mempunyai pengaruh terhadap impedansi yang tinggi pada bus ABB Panel 33 kV dengan
3
.
Gambar 9. Indeks THD Tegangan bus-bus yang dianalisa Dari Gambar 9. diatas menunjukkan hasil spectrum harmonik tegangan system pada PT Ispat Indo. Terlihat bahwa orde ke 2 merupakan orde yang dominan untuk dilakukan peredaman. Dari hasil simulasi berdasarkan gambar diatas akan digunakan sebagai dasar untuk merancang desain filter pasif untuk mengatasi masalah faktor daya dan tegangan berlebih
4.6.2 Harmonisa Arus Selain harmonik tegangan, harmonik arus juga perlu diperhatikan untuk memastikan ada atau tidaknya fenomena resonansi seri pada saat terjadi orde dominan harmonik arus. Pada halaman berikut ini adalah plot dari Thd arus :
Gambar 8. Kurva proteksi dengan harmonisa
Gambar diatas adalah setting ulang relay 14 dan relay 66 dengan mempertimbangkan arus harmonisa sebesar 2138,5 A. Terlihat bahwa untuk pengaturan pada daerah lowsetnya sudah melebihi arus gangguan dengan setting pada relay 14 dan relay 66 arus pickup-nya sebesar 1,15 kemudian untuk setting waktu instantnya dipilih 0,2s untuk relay 14 dan 0,5s untuk relay 66. 4.5 Evaluasi Gangguan Arus Harmonisa pada PT. Ispat Indo Setelah dilakukan analisa timbulnya arus inrush dan arus harmonisa ke 2 pada single line diagram kemudian dilakukan pencarian solusi untuk meredam arus harmonisa ke 2 yang tinggi yang bersumber pada transformator 65 dan beban arc furnace. Dalam hal ini akan dipertimbangkan untuk desain filter agar arus harmonisa ke 2 yang ada pada single line diagram masih berada pada batas toleransi. Standar yang digunakan adalah standar IEEE 519 (1992)
Gambar 10. Indeks THD Arus saluran 10 dan saluran 24
Gambar 10. adalah plot THD arus dari sistem kelistrikan PT Ispatindo. Pada gambar diatas orde yang dominan adalah orde ke 2. Dari karakteristik THD arus pada gambar diatas maka akan dicari solusi untuk memperbaiki THD arus pada orde 2 yang cenderung tinggi.
4.6
Simulasi dan Analisa Harmonisa sebelum Pemasangan Filter Pasif pada kondisi Existing 4.6.1 Harmonisa Tegangan Dengan menggunakan modul Harmonics Analysis pada software ETAP 7.0, dilakukan analisis titik-titik tertentu. Pada tabel gambar dibawah ini adalah data mengenai profil harmonik pada bus bus yang mempunyai indeks harmonisa yang terdapat pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo sebelum dilakukan desain filter
4.7 Perencanaan Filter Pasif untuk Mengatasi Harmonisa Untuk meredam arus harmonisa yang tinggi dilakukan desain filter pada bus-bus yang memiliki indeks harmonisa individu yang tinggi. Hal itu dilakukan untuk mendapatkan kualitas tegangan yang baik dan memenuhi standar Setelah menentukan nilai kapasitor, selanjutnya menentukan perhitungan filter pasif pada beban yang akan di redam harmonisanya. Direncanakan filter dipasang dalam hubungan wye-connection.
4
Tabel 4 Profil THD Tegangan setelah pemasangan filter Bus
THDV (%)
Standa rd (%)
Condition
PF (%)
Condit ion
Bus 14
1.86
5
OK
85
OK
Bus Near Furnace
2.77
5
OK
83
Not OK
Bus ABB panel
2.85
5
OK
98.7
OK
Bus 169
2.97
5
OK
-63.8
Not OK
Bus 88
1.16
5
OK
-93.6
Not OK
4.8.2 Harmonisa Arus Selain THD tegangan, THD arus juga mengalami penurunan yang signifikan. Berikut ini akan ditampilkan pada Tabel 5 , dimana akan menunjukkan menunjukkan bahwa THD arus sebagian besar turun sesuai dengan standard (berdasarkan IEEE Std. 519-1992), Untuk THD arus yang masih berada diatas standar sudah tidak bisa diredam lagi dikarenakan, jika dipasang filter lagi pada saluran tersebut maka akan berpengaruh besar terhadap saluran yang lain, Oleh karena itu pemasangan filter sudah dilakukan semaksimal mungkin untuk mendapatkan hasil analisa harmonisa pada sistem kelistrikan di PT. Ispatindo ini.
Gambar 11. Single line setelah direncanakan filter harmonisa
Gambar diatas menunjukkan perencanaan penambahan filter harmonisa ke2, yang pertama pemasangan diletakkan pada bus near furnace, kemudian yang kedua dipasang pada bus ABB panel, dan yang ke 3 pemasangan diletakkan pada bus 169. 4.8 Analisa Pengaruh Pemasangan Filter Pasif terhadap Faktor Daya dan Harmonisa. 4.8.1 Harmonisa Tegangan Fungsi utama filter pasif adalah menyediakan “jalan” untuk dilewati oleh harmonik sehingga harmonik tidak mengalir ke system dan membahayakan sistem. Oleh karena itu, pemasangan filter pasif pasti akan berakibat pada turunnya harmonik pada system kelistrikan di PT. Ispat Indo. Setelah pemasangan filter harmonisa, dilakukan plot THD tegangan dan THD arus
Tabel 5 Profil THD arus setelah pemasangan filter pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo Line
To Line (Feeder)
THDi (%)
Condition
33kV Tranformator 65
ABB Panel
60
Not OK
ABB panel
Near furnace
70
Not OK
Gambar 12. Indeks THD pada masing-masing bus
Gambar 13. Indeks THD arus cable 10 dan cable 24 setelah pemasangan filter
Dari kedua Gambar 12. diatas diperoleh hasil plot pada bus-bus yang terdapat gangguan arus harmonisa yang cukup besar dan dari gambar tersebut didapatkan hasil THD yang baik dan sesuai pada standar yaitu di bawah 5%. Hasil tabulasi lengkap dari bus-bus pada beban arc furnace sebagai berikut:
Gambar 13. diatas menunjukkan bahwa pemasangan filter harmonisa hanya dapat meredam orde yang dominan, namun dalam simulasinya THD arus pada saluran kabel 10 yaitu saluran dari bus sekunder transformator 65 menuju bus ABB panel dan kabel 24 yaitu saluran dari bus ABB panel menuju bus near furnace tidak mengalami penurunan arus harmonisa yang signifikan.
5
bidang studi teknik sistem tenaga melalui program lintas jalur hingga sekarang.
V. PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan simulasi dan analisa pada bab IV sebelumnya maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Fenomena inrush current pada trafo terjadi karena pada beban arc furnace bekerja secara periodic, dalam arti beban tersebut tidak sekali switch, namun diperlukan switching dalam waktu tertentu untuk sebuah proses peleburan baja, hal tersebut menimbulkan fenomena inrush current dan arus harmonisa orde 2 yang tinggi. 2. Arus inrush dan arus harmonisa yang tinggi dapat merusak peralatan listrik,seperti filter harmonisa, sehingga perlu dilakukan koreksi kordinasi OCR. 3. Hasil yang diperoleh setelah pemasangan ke 4 filter harmonisa dengan tuning pada orde ke 2 adalah THD tegangan berkurang dari 16,95% menjadi 3,5 % dan THD arus yang masih cukup tinggi yaitu sekitar 60 %. VI. DAFTAR PUSTAKA 1.
2. 3. 4.
5.
6.
7. 8. 9.
Arrillaga, J, D. Watson.N.R. “Power System Harmonics second edition ”. John Wiley & Sons. 2003. C. Sankaran, Power Quality, USA : CRC Press LLC, 2002. Stevensson D W, Grainger J.J. ”Power System Analysis”. John Wiley & Sons. 1994. Dunia Listrik, Kualitas Daya Listrik http://dunialistrik.blogspot.com/2010/03/kualitas-daya-listrikpower-quality.html Dugan, Roger C.; Mark McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty (2003). Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill Companies, Inc IEEE Std. 519-1992 - Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems IEEE Std. 1531-2003 - Guide for Application and Specification of Harmonic Filters Zuhal.” Dasar Tenaga Listrik”. ITB .1991 Byungju Park, Hansang Lee, Gilsoo Jang, Byungmoon Han, “A Fault Analisys of DC Electric Arc Furnace with SVC Harmonic filter in a mini mill plant”, Electric Power research 80 807 – 814, 2010
Gunawan Muhammad lahir pada tanggal 9 Nopember 1987 di Gresik. Penulis memulai pendidikan di SD Muhammadiyah 1 Gresik, kemudian melanjutkan studi di SLTPN 4 Gresik dan pada tahun 2002 melanjutkan ke tingkat selanjutnya di SMA Muhammadiyah 1 Gresik dan lulus pada tahun 2005. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan studinya di Jurusan Teknik Elektro Industri -ITS, dan lulus pada tahun 2008.Kemudian tahun 2010, penulis melanjutkan pendidikan di Jurusan Teknik Elektro ITS dan mengambil
6
