Perencanaan High Pass dan Single Tuned Filter Sebagai Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan British Oil Company Gresik, Jawa Timur Kurnia Refandra 2207100607 Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Abstrak: BOC(British Oil Campany) adalah salah satu perusahaan yang bergerak di bidang gas yang terletak di daerah Jawa Timur dan sebagai penyuplai gas pada PT Smelting. Perusahaan ini banyak menggunakan motor dalam Pengopresaiananya dan juga dilengkapi Uninterruptible Power Supply (UPS). Dimana Uninterruptible Power Supply (UPS)., merupakan suatu peralatan elektronika daya, namun penggunaan Uninterruptible Power Supply (UPS) dapat menimbulkan masalah baru yang dapat menurunkan kualitas daya pada sistem kelistrikan, masalah tersebut adalah harmonisa. Dengan adanya harmonisa tersebut, system sering kali mengalami gangguan diantaranya adalah motor menjadi cepat panas bahkan terbakar Untuk mengatasi harmonik yang terjadi, maka digunakanlah filter harmonik. Filter harmonik yang dipasang di sistem ini adalah jenis filter pasif, yaitu filter single tuned dan filter high pass. Filter tersebut selain berfungsi untuk mengatasi harmonik juga dapat meningkatkan faktor daya. Pemilihan jenis filter pasif tergantung dari karakteristik harmonisa tegangan pada sistem lokal yang harmoniknya akan diredam. Setelah disimulasikan didapatkan bahwa pemasangan filter pasif dan optimisasi filter pasif diperoleh hasil simulasi aliran daya faktor daya pada bus yang terdekat dengan sumber harmonisa 0.863sehingga diperlukan perbaikan menjadi 0.98. Hasil simulasi harmonisa menunjukkan bahwa %THD tegangan Pada bus – bus yang terdekat dengan sumber harmonisa adalah berkisar antara 2.78% - 2.79% sehingga nilai THD tersebut masih di bawah standar harmonisa tegangan yang diijinkan yaitu 5%. Sedangkan nilai %THD arus yang terbesar berada pada feeder 9, 10 dan 11 yaitu bus 420-SG-001 (13-15%), hal ini disebabkan karena pada bus ini terdapat sumber harmonisa yaitu UPS .
I. PENDAHULUAN Beban-beban yang terpasang pada industri umumnya mengakibatkan penurunan faktor daya dan timbulnya harmonisa. Faktor daya yang rendah berakibat pada berkurangnya kapasitas saluran dan adanya harmonisa dapat mengakibatkan terjadinya kerusakan pada peralatan listrik. Oleh karena itu, diperlukan suatu usaha untuk memperbaiki faktor daya dan menekan harmonisa yang terjadi. Salah satu usaha tersebut adalah dengan merencanakan suatu fiter pasif sehingga harmonisa dapat ditekan hingga berada di bawah standard yang telah ditentukan. Selain itu, filter pasif juga dapat membantu memperbaiki aliran daya dengan mengkompensasi daya reaktif. Perancangan filter harmonisa bukan hanya untuk menala harmonik pada orde tertentu, akan tetapi juga digunakan sebagai kompensator daya reaktif yang mampu mengurangi rugi-rugi daya, serta meningkatkan kapasitas saluran dan mengurangi drop voltages. Selain adanya keuntungan dari sisi teknis, penggunaan filter pasif sebagai filter harmonik dan korektor faktor daya juga mempunyai keuntungan dari sisi ekonomi karena dengan adanya korektor faktor daya,
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
kapasitas saluran akan bertambah sehingga memungkinkan adanya penambahan peralatan produksi lain seperti motor sehingga dapat meningkatkan produksi industri tersebut. Tujuan yang hendak dicapai adalah mempelajari kualitas daya dari sistem kelistrikan di British Oil Company Gresik, Jawa Timur khususnya tentang harmonik yang terjadi, memodelkan dan mensimulasikan sistem kelistrikan tersebut dengan software ETAP 5.0.3, menganalisis hasil simulasi dan meredam harmonik yang terjadi dengan merancang filter pasif menggunakan software ETAP 5.0.3 Dengan demikian, diharapkan terjadi perbaikan kualitas daya listrik dan pemakain daya listrik menjadi optimal. Karena di dalam ETAP 5.0.3 hanya dapat merancang filter pasif, maka desain filter pasif yang digunakan adalah filter single tuned dan filter highpass (damped). Filter single tuned digunakan untuk menala harmonik orde yang paling dominan, sedangkan filter highpass (damped) digunakan untuk menala orde harmonik yang terjadi hampir merata dan tidak sesuai dengan standard individual harmonics distortion (IHD) yang dikeluarkan oleh IEEE (berdasarkan IEEE Std. 519-1992).
Hasil yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat dalam dunia industri sehingga dapat diterapkan di dunia industri yang memiliki masalah dalam harmonik. Serta dapat meningkatkan penguasaan IPTEK di bidang Peningkatan Kualitas Daya.
a. Gelombang fundamental b1. Gelombang harmonisa ke-3 b2. Gelombang harmonisa ke-5 c. Gelombang fundamental terdistorsi
II. LANDASAN TEORI 2.1. Faktor Daya Pada suatu tegangan V, daya aktif, daya reaktif dan daya total adalah sebanding dengan arus dan akan sesuai dengan persamaan 1, yaitu: S = P2 + Q2
(1)
= (V ⋅ I ⋅ Cosθ ) 2 + (V ⋅ I ⋅ Sinθ ) 2
Faktor daya merupakan salah satu indikator baik buruknya kualitas daya listrik. Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif dan daya reaktif. Faktor daya juga disimbolkan sebagai cos θ, dimana:
P (2) S Salah satu cara yang lazim untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan cara kompensasi daya reaktif dimana sebagian kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan beban didapat dari kompensator daya reaktif. Salah satu kompensator daya reaktif adalah kapasitor bank dengan rating kvar sebagai berikut: Cosθ = pf =
(
∆Q = P × tan ϑ awal − tan ϑ t arg et
)
(3)
Penambahan daya reaktif tersebut dibatasi pada nilai faktor daya maksimal 100% dan tidak merubah keadaan leading atau lagging sistem sehingga tidak merusak beban terpasang. 2.2. Harmonisa Pada sistem tenaga listrik, harmonisa dapat didefinisikan sebagai terdistorsinya gelombang arus atau tegangan akibat adanya gelombang sinus kelipatan integer dari gelombang fundamental dan gelombang tersebut ditambahkan sehingga berakibat pada terdistorsinya bentuk gelombang fundamental menjadi tidak sinusoidal murni. Harmonisa dapat menimbulkan kerugian-kerugian antara lain timbunya fenomena resonansi, bertambahnya rugi-rugi pada motor, dan rele dapat bekerja abnormal. Karena begitu vitalnya akibat yang ditimbulkan harmonisa maka perlu adanya upaya untuk meredam harmonisa. Banyak sekali cara yang digunakan untuk meredam harmonisa yang terjadi pada sisi beban. Cara-cara tersebut antara lain dengan konfigurasi belitan pada trafo sehingga harmonisa yang terjadi tidak sampai masuk ke sisi sistem yang lebih atas dan cara yang yang lazim adalah penggunaan filter.
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
Gambar 1. Bentuk gelombang yang terdistorsi harmonisa
2.3. Filter Pasif Fungsi filter pasif secara sederhana dapat dikatakan sebagai “jalan” yang harus dilewati harmonisa sehingga harmonisa tidak sampai lewat pada sistem dan beban lain yang mengganggu sistem. Sedangkan filter aktif dibentuk dari peralatan elektronika daya yang lebih mahal daripada filter pasif. Filter pasif dibentuk dari kapasitor, induktor dan resistor. Terdapat berbagai macam konfigurasi filter pasif, antara lain band pass (single tune), high pass, double band pass, and composite. Gambar 1 berikut ini menyajikan bentuk konfigurasi
Gambar 2. Macam-macam konfigurasi filter pasif
III. FAKTOR DAYA DAN HARMONISA PADA SISTEM KELISTRIKAN BRITISH OIL COMPANY Gambar 3 adalah single line diagram dari PT. British Oil Company Gresik, Jawa Timur. Dari gambar tersebut diketahui bahwa sistem kelistrikan tersebut terdapat 7 genertor. Dari output generator, tegangan diturunkan dari 11kV menjadi 3.3 kV untuk beban motor induksi dengan total kapasitas 1300 kVA. Dari bus beban diatas tegangan disalurkan melalui kabel sepanjang 50 m untuk mensuplay beban – beban perkapasitas besar separti motor induksi tegangan kembali diturunkan dari 11 kV menjadi 6 kV yang di back up dengan generator bus 2. Beban-beban tersebut adalah beban yang menunjang produksi pada pabrik tersebut. 3.1.
Faktor Daya
Aliran daya diambil pada saat beban dalam keadaan full load (semua beban beroperasi) dan sistem juga berada dalam keadaan steady state. Pada keadaan ini maka didapat bahwa sistem memerlukan pasokan daya sebesar 48,7 MVA yang disuplay dengan 7 Generator. dua Generator berkapsitas 9.07MWatt, satu generator berkapasitas 9 MWatt dan empat
generator lagi berkpasitas 3MWatt. Berikut adalah tabel aliran daya dari sistem. Tabel 1 Konsumsi daya pada bus generator Beban
kV
kW
kVar
kVA
pf
LAPD- MCC-1 LAPD- MCC-2 LPAC- SUS-1 030-SG-001
11 11 11 11
2203 466 835 19550
1764 410 519 8776
2786 621 984 21429
79,8 75 85.2 92
Table 2 Konsumsi daya pada 030-SG-001 Beban 100 –SG -101
kV
kW
kVar
kVA
pf
11
5152
3431
6190
83.2
100-SG - 201 300-SG -001 400-SG-001 200-SG-001
11 11 11 11
9911 5867 4226 2131
5643 2684 1663 1093
11.405 6452 4542 2396
Dari Tabel 1, dan Tabel 2 dapat diketahui bahwa tidak seluruh bus beban memiliki faktor daya yang lebih dari 85%, terdapat 3 bus yang kurang dari 85% yaitu bus LAPD-MCC1dengan power factor 79.8% , Bus 100 –SG -101 dengan power factor 83.2% , Bus LAPD-MCC2 dengan power faktor 75%.
Gambar 3. Sistem Kelistrikan British Oil Company Gresik, Jawa Timur
3.2 Harmonisa Pada sistim kelistrikan British Oil Company terdapat sumbar harmonisa yaitu Uninterruptible Power Supply (UPS). Untuk itulah dapat dipastikan bahwa pada sistem ini terdapat harmonisa. Tabel 3 di bawah ini menunjukkan karakteristik THD tegangan dan TDH Arus dari sistem kelistrikan PT. British Oil Company. Table 3 Profil THD Tegangan yang melebihi standard pada Sistem Kelistrikan British Oil Company Gresik, Jawa Timur Bus 11 kV Bus -1 11 kV Bus -2
THDV (%) 5.29 5.30
Standard (%) 5 5
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
86.9 90.9 93.1 89
Bus -0212 Bus -0214 Bus -0152 Bus -0254 Bus -0221 Bus -0256 Bus -0257 Bus 030-SG-001 Bus 420-SG-001 Bus 100-SG-101 Bus 400-SG-100 Bus 400-SG-102 Bus 400-SG-103
5.29 5.30 5.31 5.30 5.31 5.26 5.31 5.31 5.82 5.02 9.02 6.14 7.99
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Tabel diatas menunjukkan tingkat harmonisa tegangan diatas standard (berdasarkan IEEE Std. 519-1992). Pada Bus 400-SG-100, Bus 400-SG-102 dan Bus 400-SG-103 memiliki nilai harmonisa yang cukup tinggi dibandingkan dengan yang lainnya itu dikarenakan bus-bus tersebut dekat dengan sumber harmonisa. Bus- bus yang dekat dengan sumber harmonik menjadi prioritas utama dalam hal peredaman harmonisa, hal ini diharapkan mampu meredam harmonik yang timbul, sehingga nilai harmonic dapat ditekan berdasarkan standard yang ada
START
PENGUMPULAN DATA
PEMODELAN SISTEM
ANALISA LOAD FLOW
Berikut ini adalah karakteristik THD arus dari sistem kelistrikan ini.
Bus
Table 4 Profil THD arus sistem To Bus (Feeder) THDi (%)
03-SG-001
420-SG-001(kabel CBL0022)
03-SG-001
420-SG-001 (kabel CBL-0023)
420-SG-001
400-SG-100 (kabel 11)
420-SG-001
Bus 400-SG-102 (kabel 10)
420-SG-001
Bus 400-SG-103 (kabel 9)
40 40 48 36 32
KOREKSI FAKTOR DAYA
Standard (%) 15 15 15 15 15
Dari Tabel 4 dapat diketahui bahwa terdapat 5 feeder yang menuju bus beban mengalami harmonik arus di atas standard yang telah ditentukan. Dari Tabel 4 di atas juga dapat diketahui bahwa lima feeder yang terdistorsi di atas standard berada pada Bus yang terdekat dengan sumber harmonisa. IV PERENCANAAN DAN OPTIMISASI FILTER PASIF Setelah mengetahui data mengenai aliran daya, karakteristik harmonisa maka dapat direncakan filter pasif untuk memperbaiki faktor daya dan meredam harmonisa.
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
REKONFIGURASI NILAI DAYA REAKTIF
ANALISA HARMONISA
DESAIN FILTER PASIF
HARMONIK OK
NO
YES KESIMPULAN
Gambar 4. flowchart langkah-langkah peredaman harmonik
Untuk sistem yang memiliki peralatan yang mengandung sumber harmonik, sebaiknya kompensasi daya reaktif untuk perbaikan faktor daya dipasang sebagai filter harmonik sehingga selain dapat memperbaiki faktor daya sistem juga dapat digunakan sebagi penyerap arus harmonik yang ada di sistem. Sebelum melakukan perencanaan filter single-tuned maka terlebih dahulu mengetahui karakteristik impedansi filter single tuned. Kemudian mengetahui IHD tegangan pada bus yang akan dipasang filter. Setelah itu langkah berikutnya adalah menentukan harmonik tegangan terbesar yang dihasilkan oleh orde n, dari orde – n dengan nilai harmonik tegangan terbesar dipilih sebagai frekuensi untuk tuning. Setelah menentukan frekuensi tuning, selanjutnya menentukan besar daya reaktif yang dibutuhkan untuk memperbaiki power faktor. Berikut adalah contoh
perhitungan perancangan filter pasif harmonik single tuned orde 5 dan orde 7 pada bus 400-SG-100 Tegangan line-netral :
Berikut adalah tabulasi lengkap desain filter pasif. Table 5. Tabulasi lengkap desain filter pasif
Frekuensi Sudut :
Bus
Jenis Filter
a. Single Tuned Orde 5 kVar yang digunakan (Qc) sebesar 900 kVar
Bus 400SG-100
Single Tuned
Rating kapasitor (dalam Farad) komponen filter adalah,
Bus 400SG-102
Single Tuned High Pass
Bus 400SG-103
Single Tuned
Sesuai dengan kondisi parameter IHD harmonisa Tegangan pada bus 16 Existing maka dapat ditentukan : Frekuensi Tuning = 250 Hz (orde 5) Maka, Komponen reaktor filter,
Orde Filter 5 7 5 7 17
b. Single Tuned Orde 7 kVar yang digunakan (Qc) sebesar 1000 kVar
Rating kapasitor (dalam Farad) komponen filter adalah,
Sesuai dengan kondisi parameter IHD harmonisa Tegangan pada bus 16 Existing maka dapat ditentukan : Frekuensi Tuning = 350 Hz (orde 7) Maka, Komponen reaktor filter,
Dan komponen resistansi filternya adalah,
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
L
R
23,68 ߤf 26,31 ߤF 42.09 ߤF 26.31 ߤF 9.73ߤ f
17.12mH
0.59Ω
7.86 mH
0.53Ω
9.63 mH
0.36 Ω
7.86 mH
121 Ω
3.60mH
1.4Ω
V. PENGARUH DARI PEMASANGAN OPTIMISASI FILTER PASIF
DAN
Table 6 Profil THD Tegangan setelah pemasangan filter
Bus Dan komponen resistansi filternya adalah,
C
11 kV Bus ‐1 11 kV Bus ‐2 Bus ‐0212 Bus ‐0214 Bus ‐0152 Bus ‐0254 Bus ‐0221 Bus ‐0256 Bus ‐0257 Bus 030‐SG‐001 Bus 420‐SG‐001 Bus 100‐SG‐101 Bus 400‐SG‐100 Bus 400‐SG‐102 Bus 400‐SG‐103
THDV (%) sesudah 1.59 1.59 1.59 1.59 1.59 1.59 1.59 1.58 1.59 1.60 1.76 1.29 2.72 1.80 2.79
Standard (%) 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Dari Tabel 6 di atas dapat diketahui bahwa THD tegangan pada semua bus beban mengalami penurunan daripada keadaan awal saat sebelum pemasangan dan optimisasi filter pasif. Selain itu, keadaan THD tegangan pada semua bus setelah pemasangan dan optimisasi filter menjadi berada di bawah standard yang digunakan. Penurunan THD tegangan ini juga berakibat pada turunnya IHD tegangan. IHD tegangan pada seluruh bus beban yang terjadi setelah pemasangan dan optimisasi filter pasif mempunyai nilai
yang berada di bawah standard yang digunakan. Jadi, dampak dari pemasangan dan optimisasi filter pasif pada sistem ini dapat menurunkan nilai THD tegangan dan IHD tegangan hingga berada pada nilai di bawah batas standard yang digunakan. Table 7 Profil THD Tegangan setelah pemasangan filter Bus 03-SG-001 03-SG-001 420-SG-001 420-SG-001 420-SG-001
To Bus (Feeder) 420-SG-001 (kabel CBL-0022) 420-SG-001 (kabel CBL-0023) 400-SG-100 (kabel 11) 400-SG-102 (kabel 10) 400-SG-103 (kabel 9)
THDi (%)
Stdrd (%)
7
15
7
15
11
15
12
15
15
15
Pada sistem ini, filter pasif mengakibatkan turunnya THD arus dan berada di bawah standard yang digunakan, namun untuk IHD arus masih terdapat orde harmonisa yang berada di atas standard yang digunakan. Dari Tabel 4.7 di atas dapat dilihat perubahan yang terjadi pada nilai THD arus pada saat sebelum (table 4) dan sesudah (table 7) pemasangan filter pasif. Hampir semua feeder beban mengalami penurunan nilai THD arus dan THD arus semua feeder beban berada dibawah nilai standard harmonisa arus. VI. KESIMPULAN Dari segi konsumsi daya dan faktor daya, sistem kelistrikan British Oil Company Gresik, Jawa Timur, ini sudah baik. Namun hal ini bukan berarti konsumsi daya dan faktor daya tidak bisa dioptimalkan. Masalah yang dominan pada sistem kelistrikan British Oil Company Gresik ini adalah adanya harmonisa yang tinggi baik itu harmonisa tegangan atau pun harmonisa arus. Untuk mengoptimalkan konsumsi daya dan mengatasi harmonisa, maka perlu direncanakan filter pasif. Selain itu, pemasangan filter pasif juga dapat mencegah kemungkinan timbulnya fenomena resonansi pada sistem.Berdasarkan hasil simulasi dan analisa, pemasangan filter pasif maka diperoleh hasil sebagai berikut: 1. Pada sistem kelistrikan British Oil Company Gresik, Jawa Timur diperoleh hasil simulasi aliran daya faktor daya pada bus yang terdekat dengan sumber harmonisa 0.863 sehingga diperlukan perbaikan menjadi 0.98. Hasil simulasi harmonisa menunjukkan bahwa %THD tegangan Pada bus – bus yang terdekat dengan sumber harmonisa adalah berkisar antara 2.78% - 2.79% sehingga nilai THD
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
tersebut masih di bawah standar harmonisa tegangan yang diijinkan yaitu 5%. Sedangkan nilai %THD arus yang terbesar berada pada feeder 9, 10 dan 11 yaitu bus 420-SG-001 (13-15%), hal ini disebabkan karena pada bus ini terdapat sumber harmonisa yaitu UPS 2. Penggunaan Filter untuk system kelistrikan Britis Oil Company Gresik, Jawa Timur, digunakan filter Single Tuned dan filter High Pass, dimana filter Single Tuned digunakan untuk meredam harmonik orde 5 dan 7 yang merupakan orde harmonik yang dominan. Penentuan kompensasi daya reaktif di prioritaskan pada peredaman orde 5 dan 7, sehingga didapatkan nilai redaman yang cukup curam sehingga terjadi penurunan THD tegangan maupun arus hampir di setiap bus VII. DAFTAR PUSTAKA [1.] R. H. Miller, J.H Malinowski, “Power Syste Operation”,New York : McGraw-Hill Inc, 1994. [2.] J. Arrillaga, D. A. Bradley, P. S. Bodger, “Power System Harmonics”, John Wiley & Sons, 1985. [3.] Gary W. Chang, Paulo F. Ribeiro, “Harmonics Theor”y, http://www.powerit.vt.edu/AA/chapters/CHAP_2/c2to c/c2_frame.htm, 2006. [4.] IEEE Std. 519-1992 - Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. [5.] IEEE Std. 1531-2003 - Guide for Application and Specification of Harmonic Filters. [6.] Sharaf, Adel M., Michael E. Fisher, “AnOptimization Based Technique For Power System Harmonic Filter Design”,Electric Power Systems Research 30 page 63-67, Elsevier, January 1994. [7.] Pujiantara, Margo, “Penyempurnaan Desain Filter Harmonisa menggunakan kapasitor Eksisting pada Pabrik Soda kaustik Serang –Baten”, JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol. 1, No. 2, Oct 2003, ISSN 1412-8306 [8.] J. C. Das, “Passive Filters – Potentialities and Limitations”,IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 40, no. 1,Januari/Februari 2004. [9.] Nguyen, T.T., ” Optimal Harmonic Filter Design Procedure”, Electric Power Systems Research, 23 page 217-22, Elsevier, 1992.
VIII.
RIWAYAT HIDUP
Kurnia Refandra dilahirkan di kota Payakumbuh, 21 Juli 1986. Penulis adalah putra ke-2 dari 3 bersaudara. Penulis memulai karir akademis di SDN 022 Salo lulus pada tahun 1998, setelah itu Penulis melanjutkan pendidikan di SLTP 11 Medan dan lulus pada tahun 2001. Lalu Penulis melanjutkan pendidikan di SMU Dharmawangsa hingga lulus pada tahun 2004 dan kemudian melanjutkan pendidikan di Politeknik Negeri Medan Jurusan Teknik Elektronika Industri dan lulus pada tahun 2007. Pada pertengahan tahun 2007 Penulis melanjutkan pendidikan untuk mengambil gelar Sarjana Teknik Elektro di Institut Teknologi Sepuluh Nopember di Jurusan Teknik Elektro pada Program Pendidikan Teknik Sistem Tenaga melalui program Lintas Jalur.
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
