STUDI DAMPAK HARMONISA TERHADAP SUSUT TEKNIS PADA
advertisement
Muhammad Syahwil, dkk, Studi Dampak Harmonisa Terhadap Susut Teknis pada Industri Semen STUDI DAMPAK HARMONISA TERHADAP SUSUT TEKNIS PADA INDUSTRI SEMEN (KASUS INDUSTRI SEMEN TONASA) Muhammad Syahwil 1 , Muhammad Tola 2 , Salama Manjang3 1 Magister Student of Hasanuddin University, Jalan Perintis Kemerdekaan Km. 10 Makassar, Indonesia 2,3 Lecture of Hasanuddin University, Jalan Perintis Kemerdekaan Km. 10 Makassar, Indonesia Abstrak Penelitian ini bertujuan mengetahui seberapa besar kontribusi harmonisa terhadap susut teknis dan kerugian energi listrik pada kelistrikan pabrik semen tonasa. Penelitian ini dilaksanakan di Pabrik Semen Tonasa Kabupaten Pangkep, Sulawesi Selatan. Untuk tujuan analisis dilakukan pemodelan sistem kelistrikan Pabrik Semen Tonasa dengan bantuan softwere ETAP. Selanjutnya hasil simulasi harmonik ETAP tersebut digunakan sebagai dasar untuk menentukan besar susut teknis yang terjadi akibat komponen harmonisa pada jaringan distribusi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa distorsi harmonisa arus dan tegangan pada industri semen tonasa secara keseluruhan masih berada pada batas yang diijinkan ( Standar IEEE 519), meskipun ada beberapa bus yang melebihi batas distorsi. Dari hasil perhitungan diketahui bahwa kontribusi harmonisa terhadap susut teknis pada jaringan distribusi 6,3 kV sebesar 16.017,49 kWh per tahun ( 0,22 % ) dan susut teknis akibat arus fundamental sebesar 7.191.192,96 kWh per tahun (99,78 %) dengan total susut teknis 7.207.210,45 kWh per tahun. Kata kunci : Harmonik, Susut teknis, Distorsi Arus harmonisa Permasalahan kualitas daya listrik dalam industri memerlukan suatu perhatian khusus. Kualitas daya (Power Quality) yang buruk akan menimbulkan banyak kerugian bagi suatu perusahaan. Salah satu permasalahan kualitas daya listrik adalah permasalahan harmonisa. Timbulnya harmonisa pada sistem tenaga listrik salah satunya disebabkan oleh adanya alat-alat yang mempunyai impedansi tidak linear. Contoh alat-alat yang mempunyai impedansi tidak linier adalah sebagai berikut (Marsudi, 2002: 2): a. Penyearah (Rectifier) b. Inverter, pengubah arus searah menjadi arus bolak-balik. c. Pengubah frekuensi (Frequency Converter) untuk mengatur putaran motor listrik. d. Tungku busur listrik e. Lampu dengan pelepasan gas (gas Discharge Lamp). Pabrik Semen Tonasa merupakan industri dengan spesialisasi usaha dibidang produksi semen, dimana dalam mesin produksinya banyak menggunakan beban non linear.. Penggunaan beban nonlinear merupakan sumber utama penyebab harmonisa yang menginterferensi gelombang fundamental dan amplitudo dari arus maupun tegangan sehingga menjadi tidak sinusoidal lagi dan hal ini biasa disebut harmonisa. Jika harmonisa terjadi pada suatu sitem melebihi batas yang diijinkan akan menyebabkan beberapa masalah, antara lain pemanasan pada kawat netral dan transformator, kesalahan pada sistem proteksi, kerusakan pada capasitor bank, penyimpangan penunjukkan alat ukur, dan menimbulkan rugi-rugi pada transmisi dan distribusi tenaga listrik. Tegangan harmonik juga dapat menyebabkan kenaikan arus pada penghantar netral sehingga mengakibatkan kenaikan rugi- MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 2, Desember 2010 rugi daya (Carpinelli, 2004). Harmonik dapat menyebabkan pemutusan beban yang sensitif, penurunan keakuratan alat ukur, kegagalan kapasitor tenaga, pemanasan lebih pada transformator dan penghantar netral (Grady and Santosa, 2001). Harmonik juga mempengaruhi biaya pemakaian energi listrik (Talacek and Watson, 2002), resonansi dalam sistem tenaga listrik (Rao et al, 1998) dan penurunan faktor daya listrik (Wolfe and Hurley, 2002). Karena komponen arus harmonisa dapat mempengaruhi sistem distribusi seperti terjadinya peningkatan panas pada penghantar dan susut. Dengan demikian perlu dilakukan studi seberapa besar kontribusi harmonisa terhadap susut teknis pada sistem kelistrikan industri semen tonasa. Indeks Harmonik Secara umum, ada dua indeks penting yang digunakan untuk mengukur besarnya distorsi harmonic pada system tenaga listrik yaitu Total Harmonic Distortion (THD) dan Total Demand Distortion (TDD). Kedua indeks tersebut merupakan nilai efektif tegangan dan arus harmonik. a. Total Harmonik Distortion (THD) THD menyatakan besarnya distorsi yang ditimbulkan oleh semua komponen harmonik, dapat didefinisikan dengan persamaan berikut : V THDV h2 2 h (1) V1 I PENGERTIAN HARMONIK Pada dasarnya, gelombang tegangan dan arus yang ditransmisi dan didistribusikan dari sumber ke beban berupa gelombang sinusoidal murni. Akan tetapi, pada proses transmisi dan distribusi ini terjadi berbagai macam gangguan sehingga bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal murni. Salah satu fenomena penyimpangan bentuk gelombang sinusoidal ini adalah distorsi harmonik. Harmonik adalah gejala pembentukan gelombang sinusoidal dengan frekuensi yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya. Bila terjadi superposisi antara gelombang frekuensi dasar dengan gelombang frekuensi harmonik maka terbentuklah Hz gelombang yang terdistorsi sehingga bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal. Harmonik menurut International Electrotechnical Commision (IEC) 6100-2-11990 didefenisikan sebagai tegangan ataupun arus sinusoidal yang mempunyai kelipatan frekuensi sistem pasokan tenaga listriknya sebagaimana yang dirancang untuk dioperasikan ( 50 Hz ataupun 60 Hz). Mirip dengan IEC, Institute of Electrical and Electronic Engineering (IEEE) Std 1159-1995 mendefenisikan harmonik sebagai tegangan ataupun arus sinusoida yang mempunyai kelipatan bulat dari frekuensi dimana sistem tenaga listrik pasokannya dirancang untuk dioperasikan (atau disebut juga dengan terminology : frekuensi fundamental, yaitu pada umumnya 50 Hz atau 60 Hz. THD I 2 h h2 (2) I1 Dimana: THDV adalah Total Harmonik Distortion Tegangan [ % ]; THDI adalah Total Harmonik Distortion Arus [ % ];Vh adalah nilai rms tegangan harmonik ke-h [ Volt ]; Ih adalah nilai rms arus harmonik keh[ Ampere ]; V1 adalah nilai rms tegangan pada frekuensi dasar [ volt ]; I1 adalah nilai rms arus pada frekuensi dasar [ Ampere ] b. Total Demand Distortion (TDD) TDD atau distorsi permintaan total dapat didefinisikan dengan persamaan berikut : I TDD h 2 2 h (3) IL Dimana: Ih adalah arus harmonik orde keh ;IL adalah arus beban puncak pada frekuensi dasar yang diukur pada PCC (Point of Common Coupling). Sumber Harmonik Pada sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier memberikan bentuk gelombang keluaran linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan perubahan tegangan, Sedangkan beban non-linier memberikan bentuk gelombang keluaran arus yang tidak sebanding dengan tegangan dasar sehingga gelombang arus Muhammad Syahwil, dkk, Studi Dampak Harmonisa Terhadap Susut Teknis pada Industri Semen maupun tegangannya tidak sama dengan gelombang masukannya. Sumber harmonik secara garis besar terdiri dari 2 jenis yaitu peralatan yang memiliki kondisi saturasi (saturated device) dan peralatan elektronika daya ( power electronic equipment). Peralatan yang memiliki kondisi saturasi biasanya memiliki komponen yang bersifat magnetic seperti transformator, mesinmesin listrik, tanur busur listrik, peralatan yang menggunakan power supply, dan magnetic ballast. Peralatan elektronika daya biasanya menggunakan komponen-komponen elektronika daya seperti tiristor, dioda, dan lain-lain. C. Dugan Roger, dkk [3], membagi sumber-sumber harmonisa berdasarkan sumber harmonik dari beban komersial dan sumber harmonik dari beban industri sebagai berikut : a. Sumber Harmonik dari Beban Komersial Fasilitas komersial seperti kantor yang kompleks, pusat perbelanjaan, rumah sakit, dan akses data interne didominasi oleh lampu flourecent dengan ballast elektronik, Pengatur kecepatan (adjustable-speed driver) digunakan pada pemanasan (heating), Ventilasi (Ventilation), dan pendingin ruangan (AC) disingkat HVAC, elevator, dan peralatan elektronik sensitive lainnya pada umumnya disuplai dari single-phase switchmode power supplies (SMPS). Beban komersial merupakan beban dengan produksi harmonik yang kecil, tergantung pada keragaman jenis beban. b. Sumber Harmonik dari Beban Industri Fasilitas industri modern dicirikan oleh aplikasi luas beban nonlinier. Sumber harmonisa dari kelompok beban industri ini merupakan sumber harmonisa yang sangat penting, karena beban industri pada umunnya menghasilkan harmonisa yang cukup besar dibandingkan dengan beban komersial. Industri sering memanfaatkan fasilitas kapasitor bank untuk memperbaiki faktor daya untuk menghindari biaya penalti. Aplikasi kapasitor untuk perbaikan faktor daya memperbesar harmonik arus dari beban nonlinier, sehingga menimbulkan resonansi. Beban nonlinear industri secara umum dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori : Konverter daya tiga phasa ( threephase power converters ), peralatan tungku ( arcing devices ) dan perangkat saturasi ( saturable devices). Gambar 2. Arus dan spectrum harmonik pada konveterter 3 phasa PWM-type ASD [3] (a). Gelombang Arus SMPS, (b). Spektrum harmonisa SMPS, Gambar 1. Harmonik pada SMPS Dampak Harmonik Tegangan dan arus harmonik dapat menimbulkan efek yang berbeda-beda pada peralatan listrik yang terhubung dengan jaringan listrik tergantung karakteristik listrik beban itu sendiri. Akan tetapi, secara umum pengaruh harmonik pada peralatan tenaga listrik ada tiga, yaitu : (1) Nilai rms baik tegangan dan arus lebih besar, (2) Nilai puncak (peak value) tegangan dan arus lebih besar, (3). Frekuensi sistem turun. MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 2, Desember 2010 Secara khusus, efek atau dampak yang ditimbulkan oleh harmonik pada sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi : [9] 1. Efek Jangka Pendek a. Tegangan harmonik dapat mengganggu peralatan kontrol yang digunakan pada sistem elektronik. b. Harmonik dapat menyebabkan kesalahan pada peralatan pengukuran listrik yang menggunakan prinsip induksi magnetik. c. Harmonik juga dapat mengganggu alatalat pengaman dalam sistem tenaga listrik seperti relay. d. Pada mesin-mesin berputar seperti generator dan motor, torsi mekanik yang diakibatkan oleh arus harmonik dapat menyebabkan getaran dan suara/bising pada mesin-mesin tersebut. e. Bila ada sistem komunikasi yang dekat dengan sistem tenaga listrik maka sistem tersebut dapat terganggu oleh harmonik. Biasanya sistem kontrol dari sistem telekomunikasi yang terganggu oleh harmonik. 2. Efek Jangka Panjang a. Pemanasan kapasitor. b. Pemanasan pada mesin-mesin listrik : Tegangan non-sinusoidal yang diterapkan pada mesin listrik dapat menimbulkan masalah-masalah sebagai berikut : Meningkatkan rugi inti dan rugi belitan, serta pemanasan lebih. c. Pemanasan pada Transformator : Transformator sangat rentan terhadap pengaruh harmonk. Transformator dirancang sesuai dengan frekuensi kerjanya. Frekuensi harmonik yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi dan pada akhirnya mengakibatkan kerugian daya. Pengaruh utama harmonik pada transformator adalah : 1) Panas lebih yang dibangkitkan oleh arus beban yang mengandung harmonik. 2) Kemungkinan resonansi paralel transformator dengan kapasitansi sistem. d. Pemanasan pada kabel dan peralatan lainnya : Rugi-rugi kabel yang dilewati oleh arus harmonik akan semakin besar. Hal ini disebabkan meningkatnya resistansi dari tembaga akibat meningkatnya frekuensi (efek kulit). Mitigasi Distorsi harmonisa muncul dengan berbagai tingkatan pada seluruh sistem tenaga listrik. Pada dasarnya, harmonisa dikendalikan jika harmonisa tersebut menjadi sebuah masalah. Umumnya harmonisa dapat menjadi sebuah problema disebabkan antara lain oleh karena : [ 3 ] 1. Sumber arus harmonisanya terlampau besar. 2. Arus harmonisa mengalir terlampau rneluas (secara kelistrikan) ataupun interferensi saluran telephone. 3. Respon dari sistem terhadap pembesaran harmonisa sangatlah tinggi dibandingkan nilai yang dapat ditoleransi. Jika harmonisa menjadi sebuah problema dasar-dasar pilihan dalam mengendalikan harmonisa adalah sebagai berikut: 1. Tambahkan filter untuk mengkompensasikan arus harmonisa dari sistem dan memblokir arus harmonisa agar tidak masuk kedalam sistem. 2. Melakukan rekonfigurasi jaringan sistem tenaga listrik. Standar Harmonik Ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonik (Standar harmonisa berdasarkan IEEE 519.), yaitu batasan untuk harmonisa arus dan batas harmonisa tegangan. Untuk standar harmonisa arus ditentukan oleh rasio Isc/IL. Isc adalah arus hubung singkat yang ada pada PCC, sedangkan IL adalah arus beban fundamental. Sedangkan untuk standar harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai. Tabel 1 IEEE STD. 519-1992 IEEE-519 Voltage Distortion Limits Bus Voltage at PCC 69 kV and below 69.001 kV through 161 kV 161 kV and above IHDv (%) 3.0 THDv(%) 1.5 2.5 1.0 1.5 5.0 IHDv = Individual harmonik voltage Distortion THDv = Total harmonik voltage Distortion Muhammad Syahwil, dkk, Studi Dampak Harmonisa Terhadap Susut Teknis pada Industri Semen Tabel 2. IEEE STD. 519-1992 IEEE-519 Maximum Odd-Harmonik Current Distortion (%) Limits for General Distribution Sistems (120 Volts –69,000 Volts) Isc/IL Dengan mengalirnya arus harmonis pada penghantar maka akan menyebabkan panas yang berlebihan dan diatas nilai rms-nya. Hal ini terkait dengan fenomena skin effect dan proximity effect. n<11 11n<17 17n<23 23n<35 35n TDD 4.0 2.0 1.5 9.6 0.3 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 <20 Susut Teknis pada Kabel Trafo Distribusi Susut pada trafo dapat dikelompokan menjadi susut dalam keadaan tanpa beban (no load losses) dan susut dalam keadaan berbeban (load losses). Untuk lebih jelasnya, susut pada trafo dapat dilihat pada bagan struktur Gambar 2 berikut : SUSUT PADA JARINGAN DISTRIBUSI Pengertian Susut Susut pada jaringan distribusi dapat dibagi atas 2 (dua) bagian, yaitu susut teknis dan susut non-teknis. Susut teknis adalah susut yang diakibatkan oleh faktor besaran arus dan tahanan. Contoh dari susut teknis adalah besamya tahanan pada penghantar, tahanan pada titik sambung dan ketidakseimbangan beban jaringan. Sedangkan susut non-teknis adalah yang diakibatkan oleh kesalahan administrasi, pembacaan meter atau pencurian. Contoh dari kesalahan administrasi adalah kesalahan data faktor kali pada kWh meter dan kesalahan paralax. Susut teknis pada jaringan merupakan Laju perubahan energi listrik menjadi panas., dimana untuk susut daya 3 phasa dapat dinyatakan dalam persamaan berikut: PLoss=3.I2 .R (4) Dengan perkataan lain, laju pengeluaran energi dalam tahanan adalah sebanding dengan kuadrat arusnya. Susut Teknis pada Kabel Distribusi Susut yang terjadi pada kabel bergantung terhadap besar arus yang mengalir padanya dan besar tahanan yang dimiliki kabel tersebut. Untuk menghitung besar susut dapat menggunakan pesamaan (4). Dengan mengalirnya arus harmonisa pada kabel, maka akan menyebabkan terjadinya penambahan panas sehingga terjadi peningkatan susut I2R pada penghantar tersebut. Untuk menghitung Nilai arus rms dengan munculnya arus harmonik dapat menggunakan persamaan : h max I rms I h 1 2 h I 1 1 (THD I ) 2 (5) Gambar 2. Klasifikasi susut pada trafo Susut Trafo Tanpa Beban, Susut trafo tanpa beban (beban nol) terdiri dari susut eddycurrent (PEC) dan susut hysterisis. Susut eddy current adalah besaran dari eddy current yang dihasilkan oleh tegangan induksi pada laminasi sebagai respon terhadap alternating flux yang merupakan proporsional dari kuadrat ketebalan laminasi, kuadrat dari frekuensi dan kuadrat dari nilai efektif (rms) kerapatan flux. Menurut IEE Std C57.110-2008, susut tanpa beban tidak berpengaruh terhadap arus harmonisa. Susut Trafo berbeban, terdiri dari susut tembaga (Pdc) pada belitan transformator dan stray loss. Stray loss terdiri dari susut pada belitan (eddy current loss, PEC) dan susut pada non belitan trafo (other stray loss, POSL). Other stray loss terjadi pada bagian trafo seperti pada klem-klem inti, struktur trafo dan tangki. Total susut berbeban selanjutnya dapat dinyatakan sebagai [8]: PLL = P + PEC + POSL (6) Dimana : PLL adalah susut berbeban [ watt ]; P adalah susut I2 R [ watt ]; PEC adalah winding MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 2, Desember 2010 eddy current loss [ watt ]; POSL adalah other stray loss [ watt ] Jika nilai rms dari arus beban mengalami peningkatan yang disebabkan oleh komponenkompenen harmonisa maka susut I2R pun akan ikut mengalami kenaikan. Wedding eddy current loss (PEC) pada frekuensi daya listrik cenderung menjadi proporsional terhadap kwadrat frekuensinya. Karakteristik itu dapat menyebabkan kenaikan susut belitan yang disebabkan oleh karena ketidak normalan peningkatan suhu belitan pada trafo yang mendapatkan pasokan arus beban nonsinosoida. Telah diketahui bahwa other stray loss (POSL) pada inti klem-klem dan bagian-bagian struktur trafo akan dapat juga mengalami peningkatan dengan suatu nilai yang proporsional terhadap kuadrat dan arus beban. Namun, susut ini tidak akan meningkat dengan susut nilai yang proporsioanal terhadap kuadrat dan frekuensi, seperti halnya pada winding eddy current loss. Studi-studi yang dilakukan oleh para pabrikan dan peneliti lainnya menunjukan bahwa winding eddy current loss pada busbar, titik-titik sambung, dan bagian-bagian struktur tarfo meningkat oleh faktor eksponen harmonisa sebesar 0,8 ataupun lebih kecil dari 0,8. Dengan demikian, sebagai perkiraan konservatif , selanjutnya faktor eksponen harmonisa ini akan digunakan dalam perhitungan susut dalam penelitian ini. Dampak dari other stray loss juga bergantung pada jenis atau tipe trafo. Sebagai contoh, peningkatan suhu pada bagian nonbelitan ini akan secara umum tidak begitu kritis pada trafo dry-type. Walau bagaimanapun, susut ini harus secara tepat dihitung untuk trafo yang berbahan isolasi minyak . Arus beban harmonisa seringkali diiringi dengan komponen dc pada arus beban. Hubungan komponen-komponen dc kecll (sampai dengan besar nilai rms dari arus eksitasi trafo pada tegangan nominalnya) diharapkan tidak berdampak pada kemampuan hantar arus dari trafo ditentukan oleh IEEE Std C57.110. Arus beban dc yang lebih besar dapat menjadi hal yang merugikan terhadap kemampuan trafo tersebut dan harus dihindarkan atau dengan kata lain harus diperhitungkan. Susut Trafo Pada Beban Nonsinusoida Perhatian terbesar pada sebuah trafo yang sedang beroperasi dengan beban yang mengandung harmonisa adalah pemanasan pada belitan trafo. Hal ini akan sesuai dengan pertimbangan kerapatan susut belitan pada basis per unitnya ( arus basisnya adalah arus nominal dan dasar kerapatan susutnya adalah I2R susut kerapatan pada arus nominal ). Dari persamaan (6) rugi trafo untuk keadaan beban nominal, selanjutnya dapat dituliskan kembali sebagai dasar per unit sebagai berikut : PLL-R = 1 + PEC-R + POSL-R (7) Dimana : PLL-R adalah susut beban per unit pada nilai rated/nominalnya [ pu ]; PEC-R adalah winding eddy current loss per unit pada nilai rated/nominalnya [ pu ]; POSL adalah other stray loss/susut sasar lainya pada nilai nominalnya [pu] Dengan winding eddy current loss dibawah nominalnya untuk sebuah belitan trafo atau dari sebuah belitan (PEC-R), maka winding eddy current loss yang terkait dengan arus nonsinusoida dapat dinyatakan sebagai : 2 h max PEC PEC R h 1 Ih IR .h (8) Dimana : h adalah Orde harmonisa; hmax adalah orde harmonisa yang tertinggi;Ih adalah arus rms pada harmonisa ke -h [Ampere]; IR adalah arus rms fundamental pada frekuensi nominalnya dan kondisi beban nominal [Ampere]. Susut I2 R pada beban nominal adalah didefenisikan sebagai satu per unit. Untuk arus nonsinusoida, persamaan arus rms dalam bentuk per unit ( dasar arus adalah arus nominal ) menjadi : h max I I (9) 2 h h 1 Persamaan (9) dapat ditulis dalam per unit : h max PEC PEC R I 2 h .h 2 (10) h 1 Persamaan-persamaan diatas mengasumsikan bahwa arus diambil dari arus nominal trafo. Karena hal ini jarang ditemukan dilapangan, terminology baru diperlukan untuk menggambarkan arus winding eddy current pada pengukuran arus dan frekuensi tenaga listrik, PEC-O. Persamaan (9) dan (10) sekarang dapat dituliskan lebih umum dalam persamaan berikut ini : Muhammad Syahwil, dkk, Studi Dampak Harmonisa Terhadap Susut Teknis pada Industri Semen h max PEC PEC O h 1 2 Ih 2 .h I FHL Dengan menggunakan terminology arus rms, I dari penjumlahan, sekarang kita mempunyai persamaannya : h max I 2 h .h 2 (12) h1 PEC PEC O I2 Nilai I rms dari persamaan (5) disubsitusi ke (10) diperoleh: h max I PEC PEC O 2 h .h 2 h 1 h max I (13) 2 h h 1 Faktor Susut Pada Winding Eddy Current Sangatlah tepat bahwa untuk menentukan kemampuan dari sebuah trafo yang memasok tenaga listrik kesebuah beban memberikan definisi sebagai sebuah angka tunggal yang dapat digunakan. FHL adalah merupakan sebuah faktor yang secara proporsional yang diterapkan pada winding eddy current loss, yang menggambarkan panas efektif rms sebagai hasii dari arus beban harmonisa. FHL merupakan ratio dari total wending eddy current loss yang terkait dengan harmonisa, (PEC), terhadap winding eddy current loss saat tidak muncul arus harmonisa (PEC-0). h max FHL P EC PEC O 2 h h 1 h max 2 h h 1 I .h 2 (14) FHL h 1 Ih 2 .h h max Ih I h 1 h1 h max 2 (15) (16) Ih 1 2 I h 1 Faktor Susut Pada other stray losses Pemanasan yang terkait dengan other stray losses, POSL pada umumnya tidak dipertimbangkan bagi trafo jenis dry-type, dimana panas yang dihasilkan di-disipasi oleh sistem pendinginan udaranya. Namun susut ini mempunyai dampak yang penting pada trafo jenis isolasi minyak yang disebabkan karena adanya penambahan panas pada minyak pendinginnya. Suatu hubungan yang serupa dengan faktor susut harmonisa untuk winding eddy current loss muncul pada other stray losses disuatu trafo, dan mungkin saja dapat dihasilkan dengan cara yang sama. Akan tetapi, susut yang terkait dengan sambungan-sambungan busbar, bagian-bagian struktural, tangki dan lain-lain, adalah proporsional denga kuadrat dari arus beban dan frekuensi harmonisa pada daya 0,8 sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Hal ini dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut : h max POSL POSL _ R h 1 Ih IR 2 0 ,8 .h (17) Persamaan tersebut berhubungan dengan faktor susut akibat arus harmonisa yang dinormalisasi terhadap arus rms dan arus fundamental dengan hasil sebagai berikut : h max 2 I 2 Ih 2 .h 1 I I Persamaan (14) mengizinkan FHL dihitung dengan terminology nilai rms aktual dari arus harmonisa. Analisa harmonisa memperkenankan perhitungan didapat dari termimologi normalisasi harmonisa terhadap arus rms total ataupun pada harmonisa pertama. Persamaan (14) dapat disesuaikan dengan keadaan ini dengan membagi pembilang dan penyebut masing-masing dengan arus rms beban, I atau dengan arus beban fundamental, I1.. terminology ini kemudian diterapkan pada persamaan (14) sehingga menghasilkan persamaan (15) dan (16). h max h max (11) FHL STR 2 I h 0.8 .h 1 I h 1 h max Ih 1 (18) 2 I h 1 h max FHL STR h 1 2 I h 0 .8 .h I h max h 1 Ih I (19) 2 Dimana : FHL adalah Faktor susut akibat arus harmonisa pada other stray loss Total Susut Trafo Berbeban Akibat Harmonisa Susut trafo dengan adanya harmonisa dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut : MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 2, Desember 2010 PLL = P + (FHL x PEC) + (FHL-STR x POSL) (20) Untuk menghitung kemampuan ekuivalen trafo menggunakan data yang terbatas, maka IEE standar C57.110-1998 (R2004) telah menyusun asumsi-asumsi khusus yang dimodifikasi berdasarkan petunjuk dari pabrikan trafo seperti : 1. Laporan sertifikat pengujian, termasuk semua data yang terdaftar pada lampiran IEEE Standard c57.12.90-1993 atau IEEE Standard c57.12.91.1995 2. Sebagian dari susut sasar ditentukan dengan faktor pengali di bawah ini yang diasumsikan menjadi winding eddy loss : a. pada trafo dry-type, 67 % dari total stray loss diasumsikan merupakan winding eddy loss. b. pada trafo isolasi minyak, 33% dari total stray loss diasumsikan menjadi winding eddy loss. 3. Susut I2R diasumsikan terdistribusi seragam Pada setiap belitan. 4. pembagian dari winding eddy current loss antar belitan diasumsikan sebagai berikut: a. Pada seluruh trafo yang mempunyai arus nominal kurang dari 1.000 A (tanpa memperhatikan rasio belitan), maka diasumsikan 60% berada bagian belitan dalam dan 40% berada pada belitan bagian luar. b. Pada seluruh trafo yang mempunyai rasio belitan kurang dari 4:1, maka diasumsikan 60% berada bagian belitan dalam dan 40% berada pada belitan bagian luar. c. Pada seluruh trafo yang mempunyai rasio belitan lebih besar dari 4:1 dan juga mempunyai satu atau lebih belitan dengan mempunyai arus nominal lebih besar dari 1.000 A, maka diasumsikan 70 % berada bagian belitan dalam dan 30 % berada pada belitan bagian luar. d. Distribusi eddy current loss pada setiap belitan diasumsikan tidak seragam. e. Kerapatan maksimum eddy current loss diasumsikan berada pada bagian winding hottest spot dan diasumsikan 400% dari kerapatan rata-rata eddy current loss pada belitan tersebut. METODE Lokasi penelitian dan pengambilan data dilakukan di PT. Semen Tonasa, kabupaten Pangkep Sulawesi Selatan. Untuk mengetahui besar distorsi harmonik pada jaringan distribusi, dilakukan simulasi dan pemodelan system kelistrikan pabrik semen tonasa dengan bantuan software ETAP Power Station. Selanjutnya hasil simulasi harmonik ETAP tersebut digunakan sebagai dasar untuk menentukan besar susut teknis yang terjadi akibat komponen harmonisa pada jaringan distribusi. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Pemodelan Sistem kelistrikan Pabrik Semen Tonasa Pemodelan dilakukan berdasarkan data sistem kelistrikan Pabrik Semen Tonasa( Pabrik Tonasa II, III dan IV dan data skunder hasil pengukuran untuk kondisi pembebanan maksimum. (a) Model simulasi pabrik tonasa IV Muhammad Syahwil, dkk, Studi Dampak Harmonisa Terhadap Susut Teknis pada Industri Semen (a) Arus harmonisa pada Trafo 490TR1 (b) Model Simulasi pabrik Tonasa II & III Gambar 3. Model Simulasi Pabrik Semen Tonasa 2. Simulasi Harmonik Dilakukan untuk memperkirakan nilai THD Tegangan dan THD Arus pada tiap-tiap bus pada sistem kelistrikan Pabrik Tonasadengan kondisi pembebanan sesuai dengan data pengukuran. Hasil simulasi harmonik, menunjukkan nilai harmonisa tegangan ( % THDV) pada busbus utama ada yang nilainya mendekati batas standar, namun hampir seluruhnya masih dibawah standar yang diijinkan (5 %), kecuali pada bus SG4F4. Demikian pula nilai harmonisa arusnya (%THDI) hampir seluruhnya dibawah standar, kecuali pada bus-bus SG4F3, SG4F4, SG4F7 dan SG4F8 diatas standar yang dijinkan karena pada bus ini belum terpasang filter harmonisa, sedangkan pada SG4F8 tingginya level harmonisa kemungkinan disebabkan akibat efek resonansi pada kapasitor. Bentuk spektrum harmonisa berdasarkan hasil simulasi pada trafo 490TR1, 490TR2 dan 490TR3(ditampilkan hanya tonasa IV ) dapat dilihat pada gambar berikut : (b). Arus harmonisa pada Trafo 490TR2 (c) Arus harmonisa pada Trafo 490TR3 Gambar 4. Spektrum Arus Harmonisa pada Trafo distribusi Pabrik Semen Tonasa IV MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 2, Desember 2010 3. Total Susut Energi pada Jaringan Distribusi Kelistrikan Semen Tonasa Setelah mengetahui besar distorsi harmonisa arus pada tiap bus dari saluran distribusi dan transformator, maka diperoleh hasil perhitungan total susut teknis/energy (kWh/tahun) akibat komponen harmonik dan komponen fundamental pada jaringan distribusi 6,3 kV pabrik tonasa seperti pada tabel berikut : 2. Tabel 1. Total susut energi pada saluran distribusi 6,3 kV pabrik semen tonasa 3. 4. 5. Gambar 5.Estimasi Konstribusi susut teknis pada saluran distribusi 6,3 kV pada pabrik Semen Tonasa Analisa Hasil Penelitian Berdasarkan pada hasil pengumpulan data, simulasi dan analisis perhitungan susut teknis yang telah diuraikan, maka dapat didapatkan hasil sebagai berikut : 1. Secara keseluruhan kualitas listrik dari aspek harmonik, pada sistem kelistrikan pabrik semen tonasa IV baik ( good power quality ). hal ini ditunjjukan dari hasil simulasi dan data pengukuran dimana tingkat harmonisa tegangan (THDV) dan harmonisa arus (THDI) pada bus-bus utama hampir semuanya dibawah standar yang diijinkan, meskipun ada beberapa bus yang melebihi batas distorsi. Bus-bus yang melebihi standar harmonik yang diijinkan( poor power quality ) yaitu bus SG4ss2, SG4F3, SG4F4, SG4F6, SG4F7 dan SG4F8. Bus ini merupakan bus dengan beban motor listrik yang menggunakan peralatan pengaturan kecepatan motor, berupa Variabel Frequency Drive sebagai sumber utama penyebab tingginya harmonisa. Disisi lain pada bus ini tidak terpasang filter harmonik. Sedangkan pada bus SG4F8 penyebab harmonisa diduga adanya efek resonansi akibat penggunaan kapasitor bank. Nilai distorsi harmoinsa arus pada sistem distribusi tegangan 6,3 kV dan transformatornya pada sisitem kelistrikan pabarik semen tonasa IV kecil, sehingga kontribusi harmonisa terhadap susut teknis juga kecil bila dibandingkan dengan susut teknis arus fundamental. Berdasarkan hasil perhitungan, konstribusi harmonisa terhadap susut teknis pada jaringan distribusi 6,3 kV sebesar 16.017,49 kWh per tahun ( 0,22 % ) dan susut teknis akibat arus fundamental sebesar 7.191.192,96 kWh per tahun (99,78 %) dengan total susut teknis 7.207.210,45 kWh. Dari spektrum harmonisa pada ketiga transformator, individual harmonic distortion tertinggi terjadi pada orde ke-5 dan ke-7 . karakteristrik ini mirip dengan referensi spektrum arus dari pengatur kecepatan motor adjustabel Speed Drives (ASD). Dengan demikian diduga Kontribusi susut teknis akibat harmonisa pada transformator merupakan konstribusi dari Variabel Frequency Drive yang ada pada bus-bus tersebut . SIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan pada hasil pengumpulan data, simulasi dan analisis perhitungan susut teknis yang telah diuraikankan sebelumnya, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : Muhammad Syahwil, dkk, Studi Dampak Harmonisa Terhadap Susut Teknis pada Industri Semen 1. Tingkat Harmonisa (THD-V dan THD-I) pada kelistrikan semen tonasa secara keseluruhan masih berada dibawah standard maximum yang diijinkan, walaupun ada beberapa bus dengan tingkat Harmonisa yang mendekati bahkan melewati batas maksimum yang diijinkan. 2. Total susut energi pada jaringan distribusi 6,3 kV pabrik semen tonasa sebesar 7.207.210,45 kWh per tahun, dengan susut teknis akibat konstribusi harmonisa sebesar 16.017,49 kWh per tahun ( 0,22 % ) dan susut teknis akibat arus fundamental sebesar 7.191.192,96 kWh per tahun (99,78 %) 3. Konstribusi harmonisa terhadap total susut energi pada jaringan distribusi 6,3 kV lebih besar disebabkan oleh susut teknis transformator dibandingkan dengan susut pada kebel distribusi. 4. Distorsi harmonisa pada bus beban secara kesuluruhan masih memenuhi standar yang dijinkan karena pada sebagian besar pada peralatan motor-motor listrik sudah terpasang filter harmonic untuk meredam harmonisa, sehingga kualitas listrik dari sisi distorsi harmonic cukup baik. Berdasarkan hasil penelitian, disaranakan: 1. Memasang filter harmonisa pada bus-bus yang tingkat distorsi harmonisanya diatas standar yakni pada bus SG4F3, SG4F4,SG4F7 dan SG4F8 2. Pada bus SG4F8, tingginya harmonisa arus diduga disebabkan adanya efek resonansi kapasitor bank, disarankan dilakukan kajian efek pemasangan kapasitor bank tersebut. Francisco C. De La Rosa (2006), Harmonics and Power System, Taylor and fancis group, NewYork. DAFTAR PUSTAKA J. Schlabbach,dkk ,(2000). Voltage Quality in Electrical Power Systems, Published by The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom. Adly A. Girgis,(1993). Harmonics and Transient Overvoltages Due to Capasitor Switching. Vol.29 No.6, IEE Transacttions on Industry Applications. Asaad A. Elmoudi, (2006). Evaluation of Power System Harmonic Effects on Transformer. Doctoral Dissertation. Helsinki University of Technology. C. Dugan Roger, dkk, (2004). Electrical Power Systems Quality, Second Edition. Downloaded from Digital Engineering Library @ McGraw-Hill. D Stevenson, William Jr.(1983). Analisis Sistem Tenaga Listrik. Jakarta: Erlangga. F. Fuch Ewald, (2008). Power Quality In Power Systems and Electrical Machines..Elsevier Inc, Australia. Glover, J.D, dkk. (2007). Power System Analysis and Design. Singapore: The McGraw-Hill Book Co, Inc. IEEE I Std C57.110-1988, (R2004), IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability When Supplyng Nonsinosoidal Load Currents. Nengah Suwiden, (2009). Analisa Penanggulangan THD dengan Filter Pasif Pada Sistem Kelistrikan RSUP Sanglah.. Vol.8 No.2, Universitas Udayana, Bali. J.L. Hernández, MA. Castro, J. Carpio2 and A. Colmenar, (2009). Harmonics in Power Systems.International Confrence Renewable Energies and Power Quality. 15th-17th, April. Jos Arrillaga, Bruce C Smith.Neville R Watson, Alan R Wood (1998), Power System Harmonic Analisys, University of Canterbury, Christchurch, New Zealand. J. C. Das, (2002). Power System Analysis ShortCircuit Load Flow and Harmonics. Amec, Inc. Atlanta, Georgia. J. Sentosa, Setiadji, (2006). Pengaruh harmonisa Pada gardu Tiang Daya 100 kVA di PLN APJ Surabaya Selatan. Universitas Kristen Petra. Khan, Shoaib.(2008). Industrial power systems. CRC Press Taylor & Francis Group. Liem Ek Bien, Sudarno (2004). Pengujian Harmonisa dan Upaya Pengurangan Gangguan Pada lampu Hemat Energi. Vol.4 No.1, Universitas Trisakti. Manumpil, Godfried Bastian. (2000). Pengurangan Harmonisa Pada Sistem Distribusi Listrik. Jakarta: Universitas Trisakti. MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 2, Desember 2010 Pabla dan Hadi, ( 1994),. Sistem Distribusi Daya Listrik, Penerbit Erlangga. RC.Dugan, M.F, McGranaghan, S. Santoso (2003), H.W Beaty. Electric Power System. Second Edition, MC. Graw-Hill. USA. Saadat, Hadi. (2002). Power System Analysis. Singapore : The McGraw-Hill Book Co, Inc.
