Analisa Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Peleburan Baja PT. Ispat Indo Surabaya Akibat Perubahan Konfigurasi dan Pergantian Trafo Utama

Analisa Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Peleburan Baja PT. Ispat Indo Surabaya Akibat Perubahan Konfigurasi dan Pergantian Trafo Utama Gema Ramadhan 2206100147 Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Abstrak : Electrical arc furnace yang merupakan peralatan produksi utama dalam peleburan baja juga merupakan sumber harmonisa yang dapat berpengaruh terhadap kelangsungan proses produksi. Pada pembahasan ini, akan dibahas sejauh mana pengaruh harmonisa yang diakibatkan oleh Electrical arc furnace terhadap konsumsi energi akibat perubahan konfigurasi dan pergantian trafo utama pada TR5 dari 80 MVA menjadi 100 MVA. Untuk memperkecil dampaknya terhadap sistem, maka akan dilakukan simulasi dan analisis harmonisa serta perancangan filter harmonisa untuk mereduksi harmonisa yang terkandung dalam sistem kelistrikan di pabrik tersebut dengan menggunakan ETAP (Electrical Transient Analysis Program). Keywords: Electrical arc furnace, harmonisa, filter

I.

PENDAHULUAN

PT. Ispat Indo adalah sebuah pabrik peleburan baja terbesar di Jawa Timur dengan hasil produksi berupa billet dan wire rod sebagai produk akhir. Perusahaan ini terletak di Desa Kedungturi, Taman Sepanjang Sidoarjo. Peralatan produksi utama dalam peleburan baja di pabrik ini yakni electrical arc furnace menggunakan energi listrik yang sangat besar dalam proses produksinyadan menimbulkan permasalahan pada sistem kelistrikannya. Peralatan ini menyebabkan arus fundamental tidak berbentuk sinusoidal lagi. Fenomena ini yang sering disebut dengan harmonisa. Harmonisa merupakan suatu gejala yang terjadi akibat dioperasikannya beban listrik non linier yang menghasilkan gelombang dengan frekuensi-frekuensi tinggi (merupakan kelipatan dari frekuensi fundamentalnya). Dalam upaya memperoleh efisiensi pengoperasian dan pemanfaatan sistem tenaga listrik, maka pengaruh harmonisa harus diperhitungkan. Oleh karena itu, sebagai tindakan preventif, usaha untuk menganalisis pengaruh harmonisa sangat diperlukan demi kelangsungan proses produksi pabrik tersebut. Salah satu usaha untuk mengatasi permasalahan harmonisa adalah dengan merencanakan suatu fiter harmonisa. Filter harmonisa selain dapat mereduksi distorsi harmonisa juga dapat berfungsi sebagai kompensator reaktif. Tujuan yang hendak dicapai adalah Mengetahui dan menganalisa nilai distorsi harmonisa yang terdapat pada PT. Ispat Indo akibat perubahan konfigurasi dan pergantian trafo utama, mensimulasikan dan mengevaluasi kerja sistem sebelum dan sesudah perubahan konfigurasi dan pergantian trafo utama, mengevaluasi passive filter existing yang terpasang di sistem kelistrikan di PT. Ispat Indo, dan perancangan filter pasif tipe single tuned untuk mereduksi distorsi harmonisa. Hasil yang diperoleh diharapkan mampu memberikan solusi dan manfaat terkait permasalahan

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS

kualitas daya akibat pengaruh harmonisa dalam dunia industri.

II. DASAR TEORI 2.1

Harmonisa pada Sistem Tenaga Listrik Dalam sistem Tenaga listrik yang ideal, bentuk gelombang tegangan yang disalurkan ke peralatan konsumen dan bentuk gelombang arus yang dihasilkan adalah gelombang sinus murni, yang mana dalam frekuensi tunggal yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula. Namun dalam perkembangan beban listrik yang semakin besar dan kompleks, terutama penggunaan beban-beban tak linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk gelombangnya. Sehingga menyebabkan terdistorsinya gelombang arus maupun tegangan dan bentuknya menjadi cacat. Cacat gelombang ( gelombang non sinusoidal ) yang disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinus sistem dengan komponen gelombang lain lebih dikenal dengan harmonisa, yaitu komponen gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen fundamentalnya seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Bentuk Gelombang Harmonisa Hasil dari Penjumlahan Gelombang Fundamental dengan Gelombang Harmonisa ke 3

2.2

Sumber Harmonisa pada Sistem Distribusi PT. Ispat Indo Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedensi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban non linier adalah bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengan siklus sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi). Beban non linier yang umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor, dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Sumbersumber harmonisa tersebut dapat berasal dari pemakaian beban-beban tak linier seperti tanur busur listrik, konverter, pengontrol kecepatan motor, dll. Pada pabrik ini terdapat beberapa sumber harmonisa, antara lain electrical arc furnace, ladle refining furnace, dan beberapa charger. Sumber harmonisa paling besar berasal dari electrical arc furnace, yakni tanur busur listrik yang berfungsi untuk melebur baja. Berikut adalah data sumber harmonisa electrical arc furnace yang berasal dari paper pada saat voltage distorsion arc furnace berada pada kondisi typical dan worst case. Harmonic Orde Typical Worst Case 2 5 17 3 20 29 4 3 7.5 5 10 10 6 1.5 3.5 7 6 8 8 1 2.5 9 3 5 Tabel 1 Data typical dan worst case harmonisa tegangan pada beban arc furnace

2.3

Standar dalam Distorsi Harmonisa Dalam pengaruhnya terhadap sistem kelistrikan, digunakan Total Harmonic Distortion (THD) yakni merupakan parameter harmonisa yang didefinisikan sebagai persentase total komponen harmonisa terhadap komponen fundamentalnya . Secara umum digunakan THD harmonisa dapat dituliskan sebagai berikut : 1

 k 2  U n   2  THD  x100% U1 Dimana : Un = komponen harmonisa U1 = komponen fundamental k = komponen harmonisa maksimum yang diamati


Tabel 2 Limit Distorsi Harmonisa Arus Sesuai standar IEEE 5191992 Maximum Harmonic Current Distortion in Percent of IL Individual Harmonic Order (Odd Harmonic) ISC/IL h<11 11h17 17h23 23h35 35h THD < 20* 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5 20 – 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8 50 – 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12 100 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15 1000 > 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20 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 ISC/IL. Where : ISC = maximum short circuit at PCC IL = maximum demand load current (fundamental frequency component) at PCC Tabel 3 Limit Distorsi Tegangan Harmonisa Arus Sesuai standar IEEE 519-1992 Individual Voltage THD Bus Voltage at PCC Distortion (%) (%) 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

2.4 Filter Harmonisa Tujuan penggunaan filter harmonisa yakni untuk mereduksi amplitudo frekuensi tertentu dari sebuah distorsi tegangan atau distorsi arus. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin.  Perencanaan Filter Single Tuned Filter dengan penalaan tunggal ditala pada salah satu orde harmonisa (biasanya pada orde harmonisa rendah). Filter ini terdiri dari rangkaian seri kapasitor, reaktor dan resistor (RLC). Impedansi dari rangkaian gambar 2(a) dinyatakan dalam persamaan : 1   Z w  R  j L   C  

Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah pada frekuensi resonansinya. Sebuah shunt filter dikatakan ditala pada sebuah frekuensi, jika pada frekuensi tersebut reaktansi induktif dan kapasitifnya sama dengan nol. Kualitas sebuah filter (Q) ditentukan dari ketajaman pada penalaannya. Filter dengan Q yang tinggi ditala secara tajam pada satu frekuensi harmonisa yang rendah (contohnya ke-5) dan nilai yang umum diantara 30 dan 60. Filter dengan Q yang rendah biasanya dalam batas 0,5 sampai 5 memiliki impedansi yang rendah pada jangkauan frekuensi yang lebar. Faktor kualitas (Q) filter didefinisikan sebagai perbandingan antara induktansi (atau kapasitansi) pada saat resonansi dengan besarnya resistansi.

Q

Dari hasil simulasi aliran daya yang dilakukan pada pola operasi kondisi eksisting, total pembebanan sistem, yakni sebesar 99.278 MVA dengan nilai faktor daya sebesar 99.74 %. Dari hasil running simulasi harmonisa dengan ETAP diperoleh tingkat distorsi harmonisa tegangan dan arus pada kondisi eksisting seperti terlihat pada tabel 5 dan tabel 6.

X0 R

dengan XL = XC = X0 pada keadaan resonansi. |Z|

C

Tabel 5 Hasil simulasi harmonisa tegangan kondisi eksisting

L

PB 2R

R

R 1

 / f

2

Gambar 2 Rangkaian filter penalaan tunggal (a) dan Grafik Impedansi filter terhadap frekuensi (b)

III. SISTEM KELISTRIKAN PT. ISPAT INDO Pabrik peleburan baja PT. Ispat Indo mendapat pasokan daya yang berasal dari PLN dengan kapasitas daya terpasang dari PLN adalah 99 MVA dan dengan tegangan 150 kV. Tegangan 150 kV tersebut diturunkan dengan dua buah transformator daya dengan kapasitas 150/150/16 MVA ( 3 winding transformer ) dan 60 MVA ( 2 winding transformer ). Untuk transformator 150/150/16 MVA menurunkan tegangan dari 150/33/11 kV, kemudian didistribusikan ke beban-beban utama seperti electrical arc furnace dan ladle refining furnace (LRF). sedangkan transformator 60 MVA menurunkan tegangan dari 150/70 kV kemudian didistribusikan ke beban-beban seperti rolling mill, motor-motor, dsb.

IV. HARMONISA DAN PERANCANGAN FILTER PASIF 4.1 Simulasi pada Kondisi Eksisting Pada kondisi eksisting digunakan trafo dengan rating 80 MVA pada trafo TR5. Berikut analisa aliran daya pada kondisi eksisting. Bus ID

Tabel 4 Hasil simulasi aliran daya kondisi eksisting kV MW Mvar MVA

PF(%)

Main Bus PLN ABB Panel Near Furnace Yard Merlin Gerin I Schneider Merlin Gerin II Line A bawah Crompton P. Siemens P.

150 32.954 32.956 69.612 10.851 10.983 10.852 10.852 10.984 10.984

98.98 65.088 53.76 29.65 21.916 7.685 14.202 3.801 4.572 1.293

7.684 9.147 33.317 2.66 7.585 6.675 4.964 2.554 2.989 0.842

99.278 64.84 63.247 29.769 23.192 10.179 15.044 4.579 5.462 1.543

99.7 99 85 99.6 94.5 75.5 94.4 83 83.7 83.8

Kirloskar P. Voltas P. II Bus Furnace Bus LRF

10.85 10.85 0.7 0.268

7.713 6.828 54.596 5.037

5.123 7.005 28.722 3.122

9.259 9.782 61.69 5.926

83.3 69.8 88.5 85


Bus ID

Rated kV

Fund (%)

RMS (%)

THD (%)

Main bus PLN ABB Panel Near Furnace Yard Merlin Gerin I Schneider Merlin Gerin II Line A bawah Crompton P. Siemens P. Kirloskar P. Voltas P. II Bus Furnace Bus LRF

150 33 33 70 11 11 11 11 11 11 11 11 0.69 0.27

100 99.87 99.87 99.44 98.65 99.85 98.65 98.65 99.85 99.85 98.65 98.65 100.52 99.38

100.05 99.92 99.92 99.50 98.84 99.93 98.84 98.84 99.93 99.93 98.84 98.84 103.06 99.38

3.2 3.33 3.33 3.39 6.19 4.05 6.19 6.19 4.05 4.05 6.19 6.19 22.59 13.16

Standard IEEE 519 (1992) 2.5 5 5 2.5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Tabel 6 Hasil simulasi harmonisa arus kondisi eksisting Bus ID

Isc (kA)

IL(A)

Isc / IL

Main bus PLN ABB Panel Near Furnace Yard Merlin Gerin I Schneider Merlin Gerin II Line A bawah Crompton P. Siemens P. Kirloskar P. Voltas P. II Bus Furnace Bus LRF

13.345 58.473 58.473 4.384 12.215 13.668 12.215 12.215 13.668 13.668 12.215 12.215 513.558 239.295

382.1 1150.6 1117.6 246.9 1233.9 535.1 800.4 243.6 287.1 81.1 492.7 520.5 50907 12750

34.92 50.81 52.32 17.75 9.89 25.54 15.26 50.14 47.60 168.53 24.79 23.46 10.08 18.76

THD (%) 0 0 0 11.53 13.48 11.60 11.84 2.55 3.33 31.05 1.79 22.91 94.06 73.17

Standard IEEE 519 (1992) 8 12 12 5 5 8 5 12 8 15 8 8 5 5

Dari hasil running harmonic analysis seperti pada tabel 5 dan tabel 6 diperoleh nilai-nilai THD tegangan dan arus dari setiap bus yang telah di plot. Nilai THD tegangan dan arus pada beberapa bus masih dibawah atau tidak melebihi nilai standar. Nilai-nilai THD yang melebihi standar ditandai dengan angka yang berwarna merah. Nilai-nilai THD yang melebihi standar pada bus-bus tersebut disebabkan oleh beroperasinya beban arc furnace, yang mana menghasilkan nilai distorsi harmonisa yang tinggi. 4.2 Simulasi pada Kondisi Setelah Pergantian Trafo Pada kondisi ini, akan dibahas hasil simulasi aliran daya dan analisa harmonisa pada sistem dengan menggunakan sebesar 100 MVA pada trafo TR5.

Gambar 3 Sistem Kelistrikan PT. Ispat Indo

Pergantian trafo yang sebelumnya berkapasitas 80 MVA menjadi 100 MVA ini dimaksudkan agar pabrik dapat memaksimalkan kerja electrical arc furnace, yang mana sebelumnya hanya bekerja 75 % atau sekitar 60 MVA dari kapasitas total daya yang dimiliki electrical arc furnace. Dengan begitu hasil produksi dari pabrik dapat ditingkatkan. Tabel 7 Hasil simulasi aliran daya kondisi sistem setelah pergantian trafo Bus ID kV MW Mvar MVA PF(%) Main Bus PLN ABB Panel Near Furnace Yard Merlin Gerin I Schneider Merlin Gerin II Line A bawah Crompton P. Siemens P.

150 32.96 32.96 69.612 10.851 10.983 10.852 10.852 10.984 10.984

98.457 63.63 53.228 29.65 21.916 7.685 14.202 3.801 4.572 1.293

7.644 9.517 33.546 2.66 7.585 6.675 4.964 2.554 2.989 0.842

98.753 64.338 62.917 29.769 23.192 10.179 15.044 4.579 5.462 1.543

99.7 98.9 84.6 99.6 94.5 75.5 94.4 83 83.7 83.8


10.85 10.85 0.69 0.268

7.713 6.828 53.098 5.037

5.123 7.005 27.935 3.122

9.259 9.782 59.998 5.926

83.3 69.8 88.5 85

Hasil running aliran daya pada kondisi setelah pergantian trafo dapat dilihat pada tabel 7. Total pembebanan sistem pada Main bus PLN 98.753 MVA dengan faktor daya 99.74 %. Rugi-rugi daya pada jaringan sebesar 0.511 MW dan 10.570 Mvar. Dari hasil running simulasi harmonisa dengan ETAP diperoleh tingkat distorsi harmonisa tegangan dan arus pada kondisi eksisting seperti terlihat pada tabel 8 dan tabel 9.


Tabel 8 Hasil simulasi harmonisa tegangan kondisi sistem setelah pergantian trafo Standard Bus ID Rated kV Fund (%) RMS (%) THD (%) IEEE 519 (1992) Main bus PLN 150 100 100.04 2.89 2.5 ABB Panel 33 99.87 99.92 3 5 Near Furnace 33 99.87 99.92 3 5 Yard 70 99.44 99.49 3.06 2.5 Merlin Gerin I 11 98.65 98.80 5.58 5 Schneider 11 99.85 99.91 3.65 5 Merlin Gerin II 11 98.65 98.80 5.58 5 Line A bawah 11 98.65 98.80 5.58 5 Crompton P. 11 99.85 99.91 3.65 5 Siemens P. 11 99.85 99.91 3.65 5 Kirloskar P. 11 98.65 98.80 5.58 5 Voltas P. II 11 98.65 98.80 5.58 5 Bus Furnace 0.7 101.40 102.54 22.71 5 Bus LRF 0.27 99.38 100.24 13.16 5 Tabel 9 Hasil simulasi harmonisa arus kondisi sistem setelah pergantian trafo Standard Bus ID Isc (kA) IL(A) Isc / IL THD IEEE 519 (%) (1992) Main bus PLN 13.345 380.1 35.10 0 8 ABB Panel 58.473 1127.1 51.87 0 12 Near Furnace 58.473 1088.6 53.71 0 12 Yard 4.384 246.9 17.75 10.39 5 Merlin Gerin I 12.215 1233.9 9.89 12.14 5 Schneider 13.668 535.1 25.54 10.46 8 Merlin Gerin II 12.215 800.4 15.26 10.75 5 Line A bawah 12.215 243.6 50.14 2.55 12 Crompton P. 13.668 287.1 47.60 3.01 8 Siemens P. 13.668 81.1 168.53 28.06 15 Kirloskar P. 12.215 492.7 24.79 1.07 8 Voltas P. II 12.215 520.5 23.46 20.73 8

Bus ID

Isc (kA)

IL(A)

Isc / IL

Bus Furnace Bus LRF

616.589 239.295

50203 12750

12.28 18.76

THD (%) 85.72 71.83

Standard IEEE 519 (1992) 5 5

Sama seperti kasus sebelumnya, THD yang tinggi ini diakibatkan beroperasinya beban electrical arc furnace. Sebagai salah satu arcing devices pada sistem kelistrikan, electrical arc furnace memang terkenal sebagai beban yang menghasilkan distorsi harmonisa yang sangat besar. Hal ini dikarenakan electrical arc furnace memiliki kapasitas besar yang disatukan dalam satu tempat. Penurunan nilai VTHD dan THD arus pada bus-bus yang telah diplot disebabkan juga oleh pergantian trafo menjadi 100 MVA, karena semakin besar rating trafo maka nilai Z impedansi pada trafo tersebut akan semakin besar. Hal ini akan menyebabkan nilai THD yang akan ditimbulkan juga akan menurun. Karena semakin besar nilai impedansi pada trafo tersebut akan menghambat jalan bagi arus harmonisa untuk menyebar. 4.3 Evaluasi Kinerja Pasif Filter Eksisting yang Terpasang di Sistem Kelistrikan PT. Ispat Indo Pada kondisi eksisting di sistem kelistrikan PT. Ispat Indo, terdapat satu pasif filter single tuned 3rd yang terpasang di bus ABB Panel 33 kV. Sesuai dengan spesifikasinya, pasif filter ini berfungsi untuk meredam atau mereduksi distorsi harmonisa yang terjadi pada orde ke 3 atau frekuensi pada frekuensi 150 Hz. Namun pada hasil simulasi yang telah dilakukan pada kondisi eksisting dengan kapasitor bank maupun tanpa kapasitor bank, dapat dilihat dan dicermati tidak terdapat distorsi harmonisa untuk orde ke 3. Orde-orde dominan yang muncul yakni orde 2, 4, 5 dan 7. Orde dominan tersebut muncul di bus tempat sumber harmonisa berada, untuk pengaruh terhadap bus lainnya hanya orde 2 dan orde 4 saja. Secara keseluruhan pasif filter eksisting pada bus ABB Panel tersebut hanya membantu meningkatkan nilai faktor daya pada sistem kelistrikan di PT. Ispat Indo dan tidak mereduksi distorsi harmonisa yang ada . Oleh karena itu dibutuhkan pergantian atau re-konfigurasi pasif filter yang ada dengan pasif filter yang baru, sehingga dapat mereduksi dengan optimal distorsi harmonisa yang terjadi. 4.4 Perencanaan Filter Harmonisa Untuk mengurangi distorsi harmonisa yang terjadi pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo akan direncanakan filter harmonisa jenis passive filter. Passive filter merupakan salah satu solusi yang sangat efektif dan banyak digunakan untuk mereduksi distorsi harmonisa. Untuk sistem yang memiliki peralatan yang mengandung sumber harmonik, kompensasi daya reaktif untuk perbaikan faktor daya akan dipasang bersama sebagai filter harmonik. selain dapat memperbaiki faktor daya sistem, filter juga berfungsi mereduksi arus harmonik yang ada di sistem.


Dalam pemasangan filter harmonisa, sebaiknya filter dipasang dekat dengan sumber arus harmonisa. Hal ini dilakukan dengan harapan filter dapat menyerap arus harmonisa yang berasal dari sumber harmonisa dengan baik. Pada perencanaan filter kali ini, nilai kvar kapasitor bank eksisting yakni sebesar 24 Mvar akan digunakan untuk merancang filter dan kapasitor bank tersebut direncanakan akan di off-kan. Filter yang akan dirancang adalah singletuned orde 2 dan single-tuned orde 4. Pada frekuensi penalaan yang telah ditetapkan, perancangan filter pasif jenis single tuned ini merupakan kombinasi filter pasif yang lebih baik bila dibandingkan dengan kombinasi lainnya, sehingga menjadi jalan bagi arusarus harmonisa pada frekuensi diatas frekuensi penalaan yang ada dijaringan dan akan memperbaiki plot impedansi jaringan.  Perhitungan Filter Single Tuned Single-tuned 2nd 20000 kvar dan single-tuned 4th 4000 kvar direncanakan akan dipasang di bus ABB Panel. Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut : 1. Single Tuned Orde Dua  Kapasitor 𝑄𝑐 20000 𝐼𝐿 = = = 349.90 𝐴 3 𝑉𝐿𝐿 3 × 33 𝐼𝐶 = 𝐼𝐿 33.000 𝑉𝐿−𝑁 = = 54.45 Ω 𝑋𝐶 = 𝐼𝐶 3 × 349.90 1 1 𝐶= = = 58.45 µ𝐹 𝜔0 𝑋𝐶 2 × 3.14 × 50 × 54.45  Induktor Pada frekuensi resonansi 𝑋0 = 𝑋𝐿 = 𝑋𝐶 , maka frekuensi resonansi f = 100 Hz , n = 2 𝑋0 = 𝜔𝑛 𝐿 =

1 = 𝜔𝑛 𝐶

𝐿 𝐶

1 1 = 2 (𝜔𝑛 ) 𝐶 (2 × 3.14 × 100)2 × 58.45 × 10−6 = 43.33 𝜇𝐻 𝑋𝐿 = 𝜔 𝐿 = 2 × 3.14 × 50 × 43.33 × 10−6 = 13.61 Ω  Resistor Faktor kualitas filter (Q), untuk filter single tuned berkisar dipilih nilai Q antara 30-60.semakin besar nilai Q semakin tajam grafik impedansi filter atau semakin rendah nilai impedansi filter pada frekuensi resonansi. Pada perencanaan filter ini akan dipilih nilai Q = 40. 𝑋𝐿 . 𝑛 13.61 × 2 𝑅= = = 0.6805 Ω 𝑄 40 Spesifikasi Single-tuned orde 2 yang akan dipasang pada bus ABB Panel :  Kapasitor : 58.45 𝜇𝐹  Induktansi : 43.33 𝑚𝐻  Resistansi : 0.6805 Ω 𝐿=

2. Single Tuned Orde Empat  Kapasitor 𝑄𝑐 4000 𝐼𝐿 = = = 69.98 𝐴 3 𝑉𝐿𝐿 3 × 33 𝐼𝐶 = 𝐼𝐿 𝑉𝐿−𝑁 33.000 𝑋𝐶 = = = 272.257 Ω 𝐼𝐶 3 × 69.98 1 1 𝐶= = = 11.69 µ𝐹 𝜔0 𝑋𝐶 2 × 3.14 × 50 × 272.257  Induktor Pada frekuensi resonansi 𝑋0 = 𝑋𝐿 = 𝑋𝐶 , maka frekuensiresonansi f = 200 Hz , n = 4 𝑋0 = 𝜔𝑛 𝐿 =

1 = 𝜔𝑛 𝐶

𝐿 𝐶

1 1 = (𝜔𝑛 )2 𝐶 (2 × 3.14 × 200)2 × 11.69 × 10−6 = 54.16 𝜇𝐻 𝑋𝐿 = 𝜔 𝐿 = 2 × 3.14 × 50 × 54.16 × 10−6 = 17.02 Ω  Resistor 𝑋𝐿 . 𝑛 17.02 × 4 𝑅= = = 1.702 Ω 𝑄 40 Spesifikasi Single-tuned orde 4 yang akan dipasang pada bus ABB Panel :  Kapasitor : 11.69 𝜇𝐹  Induktansi : 54.16 𝑚𝐻  Resistansi : 1.702 Ω

Tabel 11 Hasil simulasi harmonisa tegangan kondisi eksisting setelah pemasangan filter Standard Bus ID Rated kV Fund (%) RMS (%) THD (%) IEEE 519 (1992) Main bus PLN 150 100 100.02 2.07 2.5 ABB Panel 33 99.89 99.91 2.15 5 Near Furnace 33 99.89 99.91 2.15 5 Yard 70 99.44 99.46 1.78 2.5 Merlin Gerin I 11 98.65 98.70 3.26 5 Schneider 11 99.85 99.87 2.34 5 Merlin Gerin II 11 98.65 98.70 3.26 5 Line A bawah 11 98.65 98.70 3.26 5 Crompton P. 11 99.85 99.87 2.34 5 Siemens P. 11 99.85 99.87 2.34 5 Kirloskar P. 11 98.65 98.70 3.26 5 Voltas P. II 11 98.65 98.70 3.26 5 Bus Furnace 0.69 101.42 103.08 22.58 5 Bus LRF 0.27 99.39 100.24 13.16 5

𝐿=

4.5 Simulasi Kondisi Eksisting Setelah Pemasangan Filter Hasil simulasi aliran daya pada beberapa bus setelah pemasangan single-tuned orde 2 dan single-tuned orde 4 di bus ABB Panel dapat dilihat pada Tabel 4.10. Dari hasil simulasi aliran daya dapat dilihat faktor daya pada Main bus PLN bernilai 99.5 %, dengan rugi-rugi pada jaringan sebesar 0.473 MW dan 10.029 Mvar. Tabel 10 Hasil simulasi aliran daya kondisi eksisting setelah pemasangan filter Bus ID kV MW Mvar MVA PF(%) Main Bus PLN ABB Panel Near Furnace Yard Merlin Gerin I Schneider Merlin Gerin II Line A bawah Crompton P. Siemens P.

150 32.972 32.972 69.612 10.851 10.983 10.852 10.852 10.984 10.984

88.888 54.106 53.781 29.65 21.916 7.685 14.202 3.801 4.572 1.293

8.922 33.248 33.331 2.66 7.585 6.675 4.964 2.554 2.989 0.842

89.335 63.505 63.272 29.769 23.192 10.179 15.044 4.579 5.462 1.543

99.5 85.2 85 99.6 94.5 75.5 94.4 83 83.7 83.8


10.85 10.85 0.694 0.268

7.713 6.828 53.679 5.038

5.123 7.005 28.24 3.122

9.259 9.782 60.654 5.927

83.3 69.8 88.5 85


Tabel 12 Hasil simulasi harmonisa arus kondisi eksisting setelah pemasangan filter Standard Bus ID Fund (A) RMS (A) THD (%) IEEE 519 (1992) Main bus PLN 948.18 948.18 0 8 ABB Panel 228.97 228.97 0 12 Near Furnace 1108.21 1108.21 0 12 Yard 114.88 115.11 6.29 5 Merlin Gerin I 183.44 183.95 7.43 5 Schneider 64.95 65.17 8.27 8 Merlin Gerin II 766.99 768.57 7.01 5 Line A bawah 243.62 243.70 2.54 8 Crompton P. 287.13 287.19 1.91 8 Siemens P. 81.12 82.28 17 15 Kirloskar P. 492.64 492.69 1.37 8 Voltas P. II 386.64 389.98 13.18 8 Bus Furnace 1108.21 1596.2 103.66 5 Bus LRF 320.81 380.15 63.57 5

Dari hasil simulasi harmonisa, nilai THD tegangan pada beberapa bus setelah pemasangan filter single-tuned orde 2 dan single-tuned orde 4 bus di bus ABB Panel dapat dilihat pada Tabel dapat dilihat pada Tabel 4.11. Dengan penambahan filter pada bus ABB Panel nilai THD tegangan sudah tereduksi dengan baik, namun nilai THD tegangan pada bus Furnace dan bus LRF masih melebihi standar. Hal ini dikarenakan di dalam kedua bus merupakan sumber harmonisa yakni electrical arc furnace dan ladle refinnning furnace. Pada bus tersebut tidak mungkin dilakukan pemasangan filter karena dikhawatirkan akan mengakibatkan daya reaktif yang berlebihan, sehingga beban-beban tersebut tidak dapat beroperasi sebagaimana mestinya. Hasil analisis untuk THD arus dapat dilihat pada Tabel 4.12. Setelah pemasangan filter pada bus ABB Panel, THD arus pada beberapa bus nilainya masih berada di atas standar. Dalam perancangan filter sebelumnya sudah di usahakan agar nilai THD arus tersebut tereduksi dengan baik, namun hanya THD tegangan pada beberapa bus saja yang nilai distorsinya dapat direduksi.

Berikut adalah spektrum tegangan dan karakteristik impedansi dari Main Bus PLN setelah dilakukan pemasangan filter harmonisa.

Gambar 4 Spektrum Harmonisa Tegangan Main Bus PLN Kondisi Eksisting Setelah Pemasangan Filter

Gambar 5 Karakteristik Impedansi Main Bus PLN Kondisi Eksisting Setelah Pemasangan Filter

4.6 Simulasi Kondisi Setelah Pergantian Trafo Akibat Pemasangan Filter Hasil simulasi aliran daya pada beberapa bus setelah pemasangan filter di bus ABB Panel dapat dilihat pada Tabel 4.13. Dari hasil simulasi aliran daya dapat dilihat faktor daya pada Main bus PLN bernilai 99.5 %, dengan rugi-rugi pada jaringan sebesar 0.488 MW dan 10.572 Mvar. Tabel 13 Hasil simulasi aliran daya kondisi setelah pergantian trafo akibat pemasangan filter Bus ID kV MW Mvar MVA PF(%) Main Bus PLN ABB Panel Near Furnace Yard Merlin Gerin I Schneider Merlin Gerin II Line A bawah Crompton P. Siemens P.

150 32.948 32.976 69.612 10.851 10.983 10.852 10.852 10.984 10.984

88.373 53.508 53.249 29.65 21.916 7.685 14.202 3.801 4.572 1.293

8.871 33.583 33.56 2.66 7.585 6.675 4.964 2.554 2.989 0.842

88.817 63.174 62.942 29.769 23.192 10.179 15.044 4.579 5.462 1.543

99.5 84.7 84.6 99.6 94.5 75.5 94.4 83 83.7 83.8


10.85 10.85 0.69 0.268

7.713 6.828 53.119 5.038

5.123 7.005 27.945 3.122

9.259 9.782 60.021 5.927

83.3 69.8 88.5 85

Dari hasil simulasi harmonisa, nilai THD tegangan pada beberapa bus setelah pemasangan filter dapat kita lihat pada Tabel 4.14.


Tabel 14 Hasil simulasi harmonisa tegangan kondisi setelah pergantian trafo akibat pemasangan filter Standard Bus ID Rated kV Fund (%) RMS (%) THD (%) IEEE 519 (1992) Main bus PLN 150 100 100.02 1.86 2.5 ABB Panel 33 99.89 99.91 1.93 5 Near Furnace 33 99.89 99.91 1.93 5 Yard 70 99.44 99.45 1.59 2.5 Merlin Gerin I 11 98.65 98.69 2.92 5 Schneider 11 99.85 99.87 2.1 5 Merlin Gerin II 11 98.65 98.69 2.92 5 Line A bawah 11 98.65 98.69 2.92 5 Crompton P. 11 99.85 99.87 2.1 5 Siemens P. 11 99.85 99.87 2.1 5 Kirloskar P. 11 98.65 98.69 2.92 5 Voltas P. II 11 98.65 98.69 2.92 5 Bus Furnace 0.69 100.02 102.56 22.7 5 Bus LRF 0.27 99.39 100.24 13.16 5 Tabel 15 Hasil simulasi harmonisa arus kondisi setelah pergantian trafo akibat pemasangan filter Standard Bus ID Fund (A) RMS (A) THD (%) IEEE 519 (1992) Main bus PLN 938.86 938.86 0 8 ABB Panel 226.98 226.98 0 12 Near Furnace 1102.41 1102.41 0 12 Yard 114.88 115.06 5.63 5 Merlin Gerin I 183.44 183.85 6.65 5 Schneider 64.95 65.13 7.42 8 Merlin Gerin II 766.99 768.57 6.43 5 Line A bawah 243.62 243.70 2.52 8 Crompton P. 287.13 287.18 1.71 8 Siemens P. 81.12 82.05 15.20 15 Kirloskar P. 492.64 492.69 1.34 8 Voltas P. II 386.64 389.40 11.96 8 Bus Furnace 1102.41 1509.52 93.54 5 Bus LRF 320.81 379.95 63.46 5

Dengan penambahan filter pada bus ABB Panel nilai THD tegangan sudah tereduksi dengan baik, namun nilai THD tegangan pada bus Furnace dan bus LRF masih melebihi standar. Hal ini dikarenakan pada kedua bus tersebut terdapat dua sumber harmonisa. Jika dibandingkan dengan THD tegangan pada bus-bus yang telah diplot pada kondisi eksisting setelah pemasangan filter single tuned, terjadi penurunan nilai THD. Besar penurunan sekitar 0.19% - A.34%. Penurunan Hal ini terjadi tentu karena pemasangan filter, di sisi lain pergantian trafo turut berperan serta dalam penurunan THD. Dari hasil simulasi, untuk nilai THD arus pada beberapa bus yang dijadikan fokus perhatian dapat dilihat pada Tabel 4.15. Nilai THD arus yang terjadi masih melebihi nilai standar yang diijinkan. Hanya beberapa bus saja yang nilai THD arusnya dibawah standar. Dalam perancangan filter sebelumnya sudah di usahakan agar nilai THD arus tersebut tereduksi dengan baik, namun hanya THD tegangan pada beberapa bus saja yang nilai distorsinya dapat direduksi. Kasus ini sama yang terjadi pada kondisi

eksisting dengan pemasangan filter harmonisa. Jika dibandingkan dengan THD arus pada kondisi eksisting setelah pemasangan filter, terjadi penurunan nilai THD arus. Namun penurunan ini tidak signifikan. Hanya berkisar antara 0.03% - 10.12%. Berikut adalah spektrum tegangan dan karakteristik impedansi dari Main Bus PLN setelah dilakukan pemasangan filter harmonisa.

Gambar 6 Spektrum Harmonisa Tegangan Main Bus PLN Kondisi Setelah Pergantian Trafo Akibat Pemasangan Filter

4. Fenomena resonansi paralel yang sebelumnya terjadi pada kondisi eksisting telah hilang akibat kenaikan rating trafo dan penggunaan filter. Berikut adalah beberapa saran yang perlu dipertimbangkan : 1. Kapasitor bank yang terdapat pada bus Furnace sebaiknya jangan dipasang sebagai kapasitor bank murni yang hanya berfungsi meningkatkan faktor daya saja tetapi dipasang bersama rangkaian induktor dan resistor sebagai filter harmonisa supaya dapat menjaga keseimbangan sistem. 2. Perlunya dilakukan rekonfigurasi filter karena filter eksisting yang ada tidak mampu meredam distorsi harmonisa yang terjadi. 3. Perlu dipertimbangkan untuk mengganti trafo TR3 dan trafo TR15, hal ini diakibatkan pada kondisi eksisting saat dilakukan simulasi load flow kedua trafo tersebut mengalami overload, sehingga dikhawatirkan akan mudah terbakar. Hal ini tentu perlu sangat dipertimbangkan agar kelangsungan proses produksi pabrik tetap terjaga dengan baik.

VI. DAFTAR PUSTAKA

Gambar 7 Spektrum Harmonisa Tegangan Main Bus PLN Kondisi Eksisting Setelah Pemasangan Filter

V. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil simulasi dan analisis yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Dari data yang telah disimulasikan dan dianalisis bahwa pereduksian harmonisa pada beberapa bus dengan melakukan penambahan filter harmonisa single tuned orde dua dan single tuned orde 4 dapat mereduksi THD tegangan di seluruh bus pada kondisi eksisting dan kondisi sistem setelah pergantian trafo. Untuk THD arus pada kondisi eksisting dan kondisi setelah pergantian trafo, nilai THD-nya dapat mengalami penurunan walaupun masih melebihi standar IEE 519 (1992). 2. Semakin besar rating trafo, dapat mengurangi distorsi harmonisa karena semakin besar nilai Z impedansi pada trafo maka semakin kecil arus harmonik yang melewati trafo. Hal ini akan menurunkan tingkat distorsi akibat arus harmonik tersebut. Oleh karena itu Pergantian trafo dari 80 MVA menjadi 100 MVA dapat mengurangi distorsi harmonisa yang terjadi pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo. 3. Penggunaan Filter untuk mereduksi nilai distorsi harmonisa pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo menggunakan filter dengan tipe single tuned orde dua dan single tuned orde 4. Filter diset pada orde tersebut karena merupakan orde harmonik dominan yang terjadi.


[1]. Arrillaga, J, D. A. Bradley, P. S. Bodger. “Power System Harmonics”. John Wiley & Sons. 1985. [2]. Das, J. C. “Passive Filters – Potentialities and Limitations”. IEEE Transactions on Industry Applications. vol. 40. no. 1. Januari/Februari 2004. [3]. Dugan, R. C, M. F. McGranaghan, H. W. Beaty. “Electrical Power System Quality”. New York : McGraw-Hill. 1996. [4]. IEEE Std. 519-1992 - Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. [5]. Mendis S. R and Gonzalez D. A. “Harmonic in and Arc Transient Overvoltage Analyses Furnace Power Systems”. IEEE transactions on industry applications,vol. 28, No. 2, March / April 1992. [6]. Nguyen, T.T. ” Optimal Harmonic Filter Design Procedure”. Electric Power Systems Research. 23 page 217- 22. Elsevier. 1992.

RIWAYAT HIDUP Gema Ramadhan dilahirkan di kota Wamena, 24 April 1988. Penulis adalah anak ke-2 dari pasangan Bapak Suhardi dan Ibu Ida Farida. Penulis Menempuh jenjang pendidikan di SD Negeri Wamena tahun 1994-2000, setelah itu penulis melanjutkan pendidikan di SLTPN 1 Fakfak tahun 2000-2003, kemudian melanjutkan pendidikan di SMUN Negeri 3 Jayapura tahun 2003-2006. Setelah lulus, penulis melanjutkan studinya di Jurusan Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Analisa Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Peleburan Baja PT. Ispat Indo Surabaya Akibat Perubahan Konfigurasi dan Pergantian Trafo Utama

Recommend Documents