KUALITAS SUMtsER DAYA LISTRIK

ANALISIS KESALAHAN ALAT UKUR" ENERGI
JENIS IhIDUKSI I}ENGAN ADANYA PENUR{INAN
KUALITAS SUMtsER DAYA LISTRIK
PADA. SISTEh,I KELISTITIKAI{ INDUSTRX
Ontoseno Fenangsang dan Sjamsul Anam*
.4,BSTRAK
Makalah ini mernbahas pengaruh kualitas sumber daya listrik dalam keadaan mantap (steady state) terhadap
kesalahan penunjukan kWh meter jenis induksi dan harga faktor daya yang menentukan besaran energi yang
diukur. Dari hasil analisis dan simulasi diketahui bahwa distorsi harmonik raempengaruhi kesalahan penunjukan
kWh meter jenis incluksi dan harga fakror daya, sedangkan ketidakseimbangan tegangan hanya mempengaruhi
harga faktor daya. Inforrnasi
ini
p€nting bagi pengelola iasa kelistrikan dalam menentukan besar energi
sesungguhnya yang dikonsurnsi oleh pelanggan, khususnya industri. Sedangkan bagi pelanggan dapar digunakan
untuk menentukan besarnya biaya produksi. Studi kasus dilakukan di Pabrik Semen Tuban t.
ABSTRACT
This paper describes one aspect of electric power quality for a system in a steady state condition, i.e. energy
metering error" A long term degradation of electric power quality could affect both the energy meter registration
and the power factor that determines the energy measured by the energy rneter. The result of analysis and
simulations shows tirat harmonic distortion afTects the registration error of induction kWh meter and the power
factor, whereas voltage imbalance affects only the power factor. This rnformation is important for both the
electric utilities and their end users especially industrial customers because utility billing and industrial production
costs are generally based on
it. Tuban Cement Plant I is taken
1. PENDAHUI.UAN
Di Indonesia, kurang baiknya kualitas sumber daya
listrik yang tersedia merupakan masaiah yang perlu
diwaspadai baik oleh pengelola sistem kelistrikan
maupun oleh pelanggan komersial dan industri
(Penangsang
1992, Susanto dkk.
1993,
Permasalahan kuaiitas sumber daya .listrik dalam
keadaan steady-state ditentukan oleh betrerapa hal,
antara lain: pernadaman, faktor daya, penurunan
dan
ketidakseirnbangan tegangan (Penangsang dkk"
1995, Susanto dkk. 1993).
*
Jurusan Teknik Elektro. FTI-ITS
IPTEK - Vol. 9, No. 3. Nopember 1998
Penurunan kualitas sumber daya listrik
mempengaruhi operasi peralatan baik di sisi
pelanggan maupun di . sisi pengelola sistem
kelistrikan (Burke dkk. 1990), juga mempengaruhi
karakteristik pemakaian energi dari kornponen
utama (transformator, saluran dan motor induksi)
sistem kelistrikan industri yang
dipertimbangkan
Hermawanto 1996, Wardhani 1996)"
dan kenaikan tegangan, distorsi harrnonik,
as a case studv.
dalarn upaya
perlu
penghematan
pemakaian energi pada beban industri (Penangsang
dkk. 199s).
Salah satu aspek dari penurunan kualitas sumber
daya listrik adaiah efisiensi energi (Singh dkk.
1992), sfudi-studi kasus dilakukan dengan sasaran
penghematan energi. Khususnya yang dilakukan
pada sistem kelistrikan industri menunjukkan bahwa
penggunaan alat pengatur kecepatan motor
(konverter) mengakibatkan kerugian enersi maupun
produksi.
217
Daya listrik yang dikonsumsi oleh suatu industri
merupakan jumlah dari daya output yang dihasilkan
dan rugi-rugi daya baik pada saluran yang
digunakan untuk mencatu daya listrik maupun pada
peralatan listrik yang digunakan. Kualitas sumber
daya listrik yang kurang/tidak memenuhi standar
akan mengakibatkan bertambah besarnya rugi-rugi
daya atau dengan kata lain akan mengakibatkan
pemborosan dalam pemakaian energi listrik
(Penangsang
dkk. 1995).
I-]ntuk menganalisis pengaruh dari
perbaikan/
peningkatan kualitas sumber daya listrik pada sistem
kelistrikan industri digunakan
metode-metode
analisis sistem tenaga dengan memperhinrngkan
karakteristik pemakaian energi dari komponenkomponen utamanya (Penangsang dkk. 1997).
Aspek lain dari penurunan kualitas sumber daya
listrik adalah kesalahan pengukuran energi
(Kazibwe dkk. 1993), yang tidak diuraikan secara
rinci. Salah satu dari beberapa faktor yang
menentukan kualitas sumber daya listrik dan terkait
dengan besaran energi yang diukur oleh alat ukur
energi adalah faktor daya. Faktor daya didefinisikan
sebagai cosinus dari beda fasa antara gelombang
tegangan dan arus, yang biasa diguna- kan untuk
menentukan daya aktif/reaktif yang dikonsumsi.
Definisi tersebut hanya berlaku untuk gelombang
tegangan dan arus yang berbentuk sinus murni.
Untuk gelombang non-sinus, sebagai akibat
penurunan dari kualitas sumber daya listrik, definisi
tersebut tidak berlaku. Definisi faktor daya dan
daya nyata (KVA) dalam sistem tiga fasa tidak
seimbang dengan tegangan dan arus berbentuk
sinus telah diusulkan (Emanuel 1993), juga definisi
praktis untuk menentukan daya dengan tegangan
dan/atau arus berbentuk non sinus, dan/atau tidak
seimbang telah dijelaskan dan diusulkan (IEEE
Working Group 1996). Dengan menggunakan
model matematik dari kWh meter jenis induksi
dapat disimulasikan kesalahan penunjukan dari alat
ukur energi tersebut (Makram dkk. 1992, Baghzouz
dkk. 1985).
Dalam makalah
ini
dijelaskan bahwa dalam
menentukan kesalahan pengukuran energi yang
dikonsumsi oleh beban (industri) memperhatikan
dua hal yaitu besaran energi yang diukur
(ditentukan oleh faktor daya yang menentukan daya
aktif/ reaktif yang dikonsumsi oleh beban), dan
penunjukan dari alat ukur yang mana keduanya
dipengaruhi oleh penurunan kualitas sumber daya
listrik. Studi kasus dilakukan di pabrik Semen
Tuban I.
ini dapat memberikan pengertian bagi
kalangan industri mengenai pengaruh penuruurn
kualitas sumber daya listrik terhadap kesalahan
pengukuran energi untuk menennlkan besarnya
Analisis
biaya produksi, juga dapat digunakan sebagai
pertimbangan/masukan, baik bagi pengelola/
penyedia energi listrik (PLN) maupun bagi pemakai
energi listrik (industri), dalam menentukan besar
energi listrik yang dikonsumsi dengan adanya
penurunan kualitas sumber daya listrik yang
tersedia.
2. KUALITAS SIJMBER DAYA LISTRIK
DALAM KEADAAN STEADY.STATE
(MAIYTAP) DAN PENGARUIIT\rYA
TERIIADAP KWh METER
2.1
Beberapa
Faltor Kuatitas Sumber
Daya
Listrik
Penyedia jasa kelistrikan' sudah dirancang untuk
membangkitkan energi listrik yang handal. Namun,
tidak selamanya mereka dapat membangkitkan
energi listrik dengan kualitas yang diperlukan bagi
pengoperasian peralatan
yang
sensitif.
Pengoperasian yang normal dari peralatan-peralatan
listrik yang non linier akan menghasilkan gangguan
dan masalah yang tidak diharapkan dalam sistem
tenaga. Sehingga, konsumen akan menerima energi
listrik yang telah cacat.
Adapun kualitas sumber daya listrik dalam keadaan
mantap ditenrukan oleh faktor-faktor di bawah ini :
1. Pemadaman
2. Turun naiknya tegangan
3. Faktor daya
4.
5.
Distorsi harmonik
Ketidakseimbangan tegangan
Vol. 9, No. 3, Nopember 1998 - IPTEK
218
2.2 Model Maternatika dari kWh Meter
dengan orde yang lebih tinggi diabaikan, dan a;i, 3.,:
dan ao merupakan parameter saturasi dari rangkaian
Jenis Induksi
KWh meter satu fasa dan tiga fasa memiliki prinsip
kerja yang sama (Baghzouz dkk. 1935). KWh merer
jenis induksi dirancang dan diuji hanya untuk
mengukur jumlah energi yang terpakai dengan
bentuk gelombang tegangan dan arus yang
sinusoidal, dengan kata lain akan mengukur dengan
benar bila tegangan dan arus berupa gelornbang
sinus. KWh meter diharapkan dapat menunjukican
energi sesuai dengan daya total yang terpakai,
yaitu :
p=] fui at
TJ,
Berikut akan dijelaskan bentuk
persamaan
magnetik untuk fluks tegangan dan fluks arus.
Fluks tegangan efektif dan fluks arus efektif didapat
dengan mensubstifusi persamaan (3) dan
ke
(4)
dalarn persamaan (5)
Io'"-cos(kcot-kcr")
+"=
0,
:
lo,,
=
cos(kcot
-
Kumparan 1zg berpengaruh terhadap besar dan
sudut dari fluks regangan efektif $'" , tetapi tidak
berpengaruh terhadap fluks arus efektif S', .
Sehingga, harga fluks regangan efektif dan fluks
arus efektif menjadi:
v:Vcostrrt
i=Icos(rrrt-0)
dengan
.... (1)
adalah sudut faktor daya, kemudian
kumparan tegangan akan menghasilkan fluks (fluks
kurnparan arus juga akan
menghasilkan fluks (fluks arus) dengan persamaan
dan
fluks tegangan utama dan fluks arus utama adalah
0" =
@u cos (cot
- cr")
=,lo;,cos(k<ot-ka,,
0, =
-6*)
.
(g)
......
(9)
."......
0;
51 adalah sudut antara o" dan @, Erul terinduksi
pada piringan karena fluks tegangan efektif S, dan
fluks arus efektif 0, diperoleh dari
,...(2)
0
tegangan)
0"
kumparan
tegangan sebagai dasar unfuk analisis pada kondisi
operasi tak ideal (pengaruh beberapa faktor kualitas
sumber daya listrik). Persamaan arus dan tegangan
adalah (Baghzouz dkk. 1985)
(6)
k0)
matematika kWh meter jenis induksi safu fasa yang
memiliki satu kurnparan arus dan
.......
e,
/
='-d6/ar=
Lko:Q,,sin(krot-8,*)
,j:v,i.(10)
dengan:
Fu*
:
kclu
*
6* dan
9,u
:
k0
Dari persamaan (10), Eddy Cunent yang terinduksi
pada piringan bisa diperoletr
0, = Oi cos (rot - 0)
(4)
dimana cl" adalah sudut antara tegangan dan fluks
''
=
- ftro. \
-su*) , j:v, i ... (11)
-I,i.T;l
.Jsintktot-l];u
tegangan.
dengan
Fluks utama merupakan seluruh fluks yang timbul
sedangkan fluks efektif merupakan fluks yang
memotong piringan saja. Karena ketidaklinieran
kurva magnetasi dari kumparan tegangan dan arus,
maka fluks efektif menjadi tak linier pula terhadap
fluks utama. Hubungan antara fluks utama dan fluks
efektif adalah
s',
:
ai,d
*
a1:d3
+ ajr0j',
j:
v,
i
IPTEK - Vol. 9, No. 3, Nopember 1998
:
crdk
:
arctan (korl_o
/ \)
LolRo adalah perbandingan antara induktansi ,lan
resistansi
dari piringan' yang terinduksi
Eddy
Current, dan Zo* merupakan impedansi piringan.
Torsi rata-rata yang terjadi pada piringan adalah
2r/
..."......
(5)
/",
q=*fi0;i,-o;i";at
.(12)
219
torsi redaman diperoleh dari
,/.
r,
=+
tr,
J'l(*0,,' ,+K.Q.i,,,+Kgi,)dt
)t
(13)
dengan K,, K, dan K, adalah konstanta kWh meter.
Jika kecepatan putar piringan dinyatakan dengan e ,
dengan menyamakan persamaan (12) dan (13) :
;t(}i
i.l0,
,g:i
i30:
:o: :iir
,€.:
g
,(E
.'o.:.
o):
I
rc,r,@,,O,,
t
sin(B,,
i
i,t.
K, +
:d
- F- )
|c,.,(r,,o.; + K,o;)
(14)
0l
.f.-l'
'50
o\
'o,.rnrun
yang timbul juga
Putaran
merupakan
terjadinya perubahan penunjukan pada alat hitung
yang terhubung melalui roda gigi dengan poros
piringan. Sehingga dari kecepatan putar piringan
kita bisa menghitung persen kesalahan yang terjadi.
{**
Gambar
Persen kesalahannya adalah:
9b
='
I
*
lag.
t,,
o,g,,(
K
:0.5
(15)
dengan e adalah kecepatan putar piringan pada
persamaan (14), dan e,, adalah kecepatan putar
piringan unruk harga V,l dan 0 yang sama pada
frekuensi nominal, yaitu:
_ l-t ::
Respon frekuensi untuk beberapa
faktor daya. (1) tJntuk p.f:t; (2)
Untuk p.f
re-e '')100
error
1,
I
u)g,.11;sin(k1cr.,,,
Pada kWh meter jenis induksi, pemadaman tidak
mengakibatkan kesalahan pada penunjukan.
- 0) + 6*,,)
B,[s,,rvr]' + o,[c*tl)]'
dengan O-. ;., Dk
drtenrukan untuk keadaan normal. Sedangkan g'*
dan g,, merupakan harga fluks untuk keadaan tidak
jenuh (Baghzouz dk-li. 1985).
merupakan konstanta yang
Persen kesalahan yang terjadi dapat berharga
positip, yang berarti kwh meter jenis induksi akan
menunjukkan harga yang lebih besar dari harga
sebenarnya yang juga berarti akan menimbulkan
kerugian pada pihak konsumen, dan dapat juga
berharsa negatip yang mana pihak yang dirugikan
:i:l"h pihak produsen tenaga listrik.
Respon terhadap Frekuensi: Gambar I
n:e :ui.kin respon kwh meter jenis induksi
reri;J:: :rekuensi yang ditentukan berdasarkan
:T:ai;:- :;:ematik di atas.
D.::: :.--:.r rerjadinya
2.3 Pemadaman
kesalahan penunjukan yang
:-:ru:::*:: :errerga negatip atau yang biasa disebut
,-''.:": - ", ,. .-,:'- lfifttk kenaikan frekuensi.
2.4 Turun naiknya Tegangan
Kenaikan maupun penurunan tegangan tidak
rnenyebabkan kesalahan penunjukan dari kwh
meter seiama perubahan tegangan tersebut masih
dalarn batas normal, terutama batas tegangan dari
kWh meter itu sendiri. Saat ini, kebanyakan kWh
meter memiliki batas tegangan antara 80% sampai
120% dari tegangan nominal.
Jika terjadi perubahan tegangan sampai di luar batas
kemampuan kumparan, maka akan timbul kesalahalt
penunjukan yang disebabkan oleh perubahan harga
resistansi dari inti kumparan tegangan dan saturasi
dari inti kumparan.
Seperti yang telah diuraikan, piringan kWh meter
akan berputar sesuai dengan daya yang dipakai,
yaitu
:
p=I ['vi.lt
TJ,
Vol. 9, No. 3, Nopember i99B - IPTEK
22r
KWh meter satu fasa dan tiga fasa memiliki prinsip
kerja yang sama. Torsi yang dihasilkan merupakan
penjumlahan dari torsi yang dihasilkan oleh tiap
belitan pada tiap fasanya. Sehingga untuk kWh jenis
ini pun tidak akan terjadi kesalahan penunjukan
apabila timbul ketidakseimbangan tegangan.
dengan P*, P-, Fp merupakan daya aktif urutan
positip, negatip dan nol. Sedangkan S merupakan
daya semu tiga fasa tidak seimbang. dPF untuk
kondisi seimbang sama seperti persamaan (19)
dengan P, adalah daya aktif urutan positip dan S,
adalah daya semu urutan positip.
3. KUALITAS SUMBER DAYA LISTRIK
DALAM KEADAAN STEADY-STATE
(MANTAP) DAN PENGARUHNYA
TERHADAP FAKTOR DAYA
3.2 Pemadaman
Kondisi pemadaman merupakan terputusnya aliran
daya karena tidak adanya tegangan, sehingga tidak
ada faktor daya pada kondisi ini.
3.1 Faktor Daya
Besaran energi yang diukur ditentukan oleh daya
aktif yang dikonsumsi oleh beban. Unruk
menentukan daya aktif tersebut perlu didefinisikan
3.3 Turun Naiknya Tegangan
pengertian mengenai faktor daYa.
mempengaruhi faktor daya meskipun tidak terlalu
besar terutama pada peralatan industri. Pada motor
induksi pengaruh dari turun naiknya tegangan ini
Faktor daya untuk karakteristik tegangan-arus yang
linier sebanding dengan displacement power factor
(dPF) yang didefinisikan:
Turun naiknya tegangan sumber akan
dapat dilihat pada
l.
Tabel
dPF =
&
= cos4
.(1e)
Dengan P, merupakan daya aktif tanpa harmonisa
(fundamental) dan Sr adalah daya semu tanpa
harmonisa {fundamental apparent power).
Sedangkan untuk kondisi beban-beban yang tidak
linier faktor daya dihitung dengan cara lain yang
disebut True Power Factor (TPF) yaitu:
TPF..
P
=
"SS
-
(P' +P")
Tabel
1.
Pengaruh kenaikan tegangan terhadap
faktor daya pada motor induksi (IEEE
Std-241,1983).
Faktor Daya
Beban
90
Ynom
Vo
110
ukur energi yang ada sekarang
didesain unmk mengukur daya dengan teliti pada
Keban-vakan alat
beban penuh
naik I
%
3/4 beban penuh
naik?-3
%
nrrun 3 %
turun 4 7o
Il2beban penuh
nalk 4-5
%
turun 5-6
Dengan menggunakan deret Fourier, tegangan dan
arus sebagai fungsi waktu dapat dinyatakan sebagai
berikut:
v(t) = y,
*./zlqrin(ftor * q,)
* Jzlr,rin(na
(22)
i(t) =
Sedangkan rrnf,rrk kondisi tidak seimbang, faktor
daya dide -qisi.ikerr sebagai berikut:
Harga rms tegangan dan aius adalah:
_P -P
7o
3.4 Distorsi Harmonik
frekuensi dasar yang ditentukan oleh dPF.
P.
Vnom
(20)
dengan S mengandung distorsi harmonik, sehingga
harga S pada kondisi ini lebih besar daripada S pada
kondisi tanpa harmonisa. Sedangkan daya aktif total
P secara umum mengalami peningkatan yang sangat
kecil bila dibandingkan dengan P,.
T?F. =
Vo
(2t)
v
=
t,,
+ P^)
(23\
I=
5
Vol.9. No. 3,
,tr
.........".(24)
Nopember 1998 - IPTEK
22r
KWh meter satu fasa dan tiga fasa memiliki prinsip
kerja yang sama. Torsi yang dihasilkan merupakan
penjumlahan dari torsi yang dihasilkan oleh tiap
jenis
belitan pada tiap fasanya. Sehingga untuk kWh
ini pun tidak akan terjadi kesalahan penunjukan
apabila timbul ketidakseimbangan tegangan'
dengan P*, P-, Fp merupakan daya aktif urutan
positip, negatip dan nol. Sedangkan S merupakan
daya semu tiga fasa tidak seimbang. dPF untuk
kondisi seimbang sama seperti persamaan (19)
dengan P, adalah daya aktif urutan positip dan S,
adalah daya semu urutan PositiP.
3. KUALITAS SI.]MBER DAYA LISTRIK
DALAM KEADAAII STEADY.STATE
MANTAP) DAN PENGARUHNYA
TERHADAP FAKTOR DAYA
3.2 Pemadaman
3.1 Faktor
Kondisi pemadaman merupakan terputusnya aliran
daya karena tidak adanya tegangan, sehingga tidak
ada faktor daya pada kondisi ini.
DaYa
Besaran energi yang diukur ditentukan oleh daya
aktif yang dikonsumsi oleh beban' Unruk
menenfukan daya aktif tersebut perlu didefinisikan
pengertian mengenai faktor daYa.
Faktor daya unruk karakteristik tegangan-arus yang
linier sebanding dengan displacement power factor
ldPF) yang didefinisikan:
3.3 Turun NaiknYa Tegangan
Turun naiknya tegangan sumber akan
mempengaruhi faktor daya meskipun tidak terlalu
besar terutama pada peralatan industri. Pada motor
induksi pengaruh dari turun naiknya tegangan ini
dapat dilihat Pada
Tabel
(1e)
dpF=5=cos4
(fundamentat) dan
Si adalah daya semu
P
SS
(P,
*P")
Faktor Daya
Beban
tanpa
harmonisa (fundamental apparent power)'
Sedangkan unruk kondisi beban-beban yang tidak
linier faktor daya dihirung dengan cara lain yang
disebut True Pov'er Factor (TPF) yaitu:
-
Pengaruh kenaikan tegangan terhadap
faktor daya pada motor induksi (IEEE
Std-241,1983).
Dengan P, merupakan daya aktif tanpa harmonisa
T?F*
1.
Tabel 1'
90 7o Vnom
ll0
beban penuh
naik I
7o
3l4beban penuh
nark?-3
%
turun 3 %
turun 4 o//o
l12beban penuh
naik 4-5
%
turun 5-6
%
3.4 Distorsi Harmonik
ukur energi yang ada sekarang
pada
d.Nles,allrL untuk mengukur daya dengan teliti
Kebam"akan alat
Dengan menggunakan deret Fourier, tegangan dan
arus sebagai fungsi waktu dapat dinyatakan sebagai
berikut:
v(t) = Y,
* JTlvnrin(notr *
* Jzir,,rin(
nr,r +
(22)
o,,)
fi\
:reicutemsi dasar l"ang ditenrukan oleh dPF'
i(t) =
SeAangim rmxrrrk koDdisi tidak seimbang, faktor
5fuq dtur.'*nrs:lraa sebagai berikut:
Harga Ims tegangan dan aius adalah:
p- _:
-
Vnom
(20)
dengan S mengandung distorsi harmonik, sehingga
harga S pada kondisi ini lebih besar daripada S pada
kondisi tanpa harmonisa. Sedangkan daya aktif total
P secara umum mengalami peningkatan yang sangat
kecit bila dibandingkan dengan P'.
.II-Dtr
7o
\
-3
f ,,
I=
(23)
'tr
Vol. 9. No. 3, NoPember 1998 - IPTEK
tJ)',
Kemudian dengan memisahkan komponen tanpa
harmonisa V,, I, dari komponen harmonik
V" , tr"
maka akan didapat:
v'
= V,' +
v,i ;
untuk mengerahui tingkai polusi
I' = tl + li
.""... (25)
ri,=;ri
lv; ;
=
(VI)2
:
(V,I,), +
(VrIn)2
+(vHI')2 +
(VHIH)
...
+=+=rrHD
daya
semu S:
:
iarionik
pada
....(26)
Dari kedua persanaan di atas kita peroleh
5z
sistem tersebut
Sedangkan Normalized Harmonic
Apparent power
SH/Sr dihitung dengan persamaan
:
dengan
v;
Dengan SN/Sr disebut dengan Normalized
Non-.Fundamental Apparent pow
e r, yang digunakan
(27)
vrHD
(32)
Dengan menggunakan definisi faktor
daya untuk
kondisi non linier (persamaan 20) maka
faktor daya
sebenarnya dapat dihitung, sehingga
diperoleh
grafik seperti Gambar 3.
S memiliki dua komponen:
0.9
S'=Si+Si
0.85
dPF
dengan S, merupakan daya semu tanpa harnonisa
(V,.I,) dan SN merupakan daya semu yang
mengandung harmonisa. SN terdiri dari
tiga
komponen:
(E
0.8
(g
?o
o.zs
TPF
J
si=(v,t,,)'+(y,t,)'*(v,,t,,)'
r!(g
........(2g)
Komponen pertama V,I", dinamakan Current
Distortion power. Bentuk kedua V"I,, disebut
H
0.7
0.65
0.6
Voltage Distortion power. Komponen
teiiga disebut
o
ooo
tq
rf)
daya semu harmonik (Harmonic Apparent power),
dan lebih lanjut dapat dibagi sebagai berikut:
si, = (Y,t,,)'=
P,i+Ni
.." . .. (zg)
Gambar
3.
= lY,l,,cos4,
;
0,,
= a,,-
A
......
(30)
PH merupakan Tonl Harmonic Actif power.
Sedangkan N" adalah Total Harmonic
Non_active
Power.
Ketiga
komponen dalam SN berguna untuk
mengetahui tingkat polusi harmonik pada
sistem
tersebut. Dengan membagi persamaan (2g)
dengan
Sr dan dituliskan sebagai fungsi THD (lihat
apendiks ) dari tegangan dan arus maka:
[+)'
=
Grafik pengaruh peningkatan ITHD
terhadap faktor daya
dengan
P,,
o
o)
(o
%ITHT)
(rruo)' +(vruo)'
+(rruo vrHD),
IPTEK - Vol. 9, No. 3, Nopember 199g
(31)
Dengan semakin besarnya persentase
ITHD yang
berarti semakin besarnya S*/S, maka
fahor dayanya
akan semakin turun, sedangkan untuk
kenaikan
VTHD sampai batas yang diijinkan
(0<VTHD <5%) tidak begitu
berpengaruh
terhadap perubahan harga fallor daya.
Hal ini
disebabkan karena kenaikan VTHD sampai
dengan
5%
tersebut sangat
kecil sekali
terhadap kenaikan harga
V*,
pengarutrnya
sehingga perubahan
harga S akan kecil untuk trarga tiHD
tertentu.
Sebaliknya kenaikan %ITHD bisa besar
sekali
sampai 90% (IEEE Working Group 1996)
sehingga
kenaikan harga I* dari kondisi tanpa
harmonisanya
bisa sangat besar, yang selanjutnya akan
menyebabkan kenaikan harga S. Hal ini
akan
menyebabkan
faktor dayanya semakin
rendah
.-
223
karena faktor pembagi
(S)
bertambah besar
sedangkan penambahan daya aktif (P) secara umum
kecil sekali (Dugan dkk. 1996).
karena
3.5 Ketidakseimbangan Tegangan
3.5.1
:(r-'
Beban Tidak Seimbang Dengan
Sumber Tegangan Yang Sinusoidal
Dan Simetnis
Suafu sumber tiga fasa eo, €6, €" fil€lsuplai beban
tidak seimbang seperti Gambar 4 dengan tegangan
El-120"
,4 : ElI20"
r ' + l"') =
11
+ Ii +
Ij
(37)
rnaka persamaan (36) menjadi:
S
: 3Ei.
... .."...(3S)
dengan I" yang merupakan arus ekivalen:
r" =
rTns:
\ : EIO", E! :
+
fti. ',iD/3
Faktor daya dapat ditentukan dengan menggunakan
persamaan (21) sehingga diperoleh Gambar 5, yang
merupakan grafik faktor daya sebagai fungsi %I'ly,
I
dengan
dan I* ditentukan
yang tidak seimbang.
dari arus ketiga
fasa
0.9
0.85
t!
o
L
o
-
:o
i..
trG
Beban tidak
0.8
0.75
0.7
0.65
seimbang
Gambar
4.
Sumber tiga fasa yang simetris mencafu
beban tidak seimbang.
0.6
05101520
/olJl+
Jika komponen simetri dari arus rms dari saluran
Gambar
(dalam bentuk fasor) adalah:
I*:
I*
/p*,!-:l'l0-,
Iu
:
Io
Zy
p*, B, Bt merupakan sudut arus urutan
positip, negatip dan nol terhadap titik referensi
tertentu. Untuk keadaan ini hanya terdapat daya
urutan positip sehingga:
:
3Et'cosf.
Q*: 3EI* sin F
p. =
Pengaruh ketidakseimbangan beban
terhadap faktor daya pada kondisi
tegangan surnber seimbang.
dengan
P
5.
.. (33)
Dengan adanya arus yang tidak seimbang sebagai
akibat beban yang tidak seimbang maka faktor daya
pada kondisi ini akan lebih kecil daripada faktor
daya pada kondisi seimbang (dpF) karena S tiga
fasa tidak seimbang akan semakin besar. Sedangkan
P totalnya tetap, yaitu daya aktif urutan positip.
................. (34)
Sedangkan daya semu pada kondisi tidak seimbang:
S'=
P-'+Q'
...(35)
Vol. 9, No. 3. Nopember 1998 - IPTEK
224
3.5.2
Beban Tidak Seimbang dengan
Sumher Tegangan Yang Sinusoidal
Dan Tidak Sirnetris
Suatu sumber tegangan yang tidak
Y'le', Y : Volclo
29, Io = To lpu
Pada kondisi ini terdapat daya urutan positip,
negatip dan noi. Sehingga daya aktif totalnya:
P=P*+P-+P
Sedangkan daya semu
:
Sedangkan
(3.21), dan
dPF
G
(!
to
.<
G
11
"',
o.6s
U,b
TPF
0.55
u
0.5
0.45
4.4
510152025
kondisi tidak
Gambar 7.
3V.I,
I,
08
0.75
%l'll+
seimbangnya menjadi:
S
0.9
0.85
(40)
pada
menggunakan
persamaan (21) sehingga diperoleh Gambar 7.
seimbang
mensuplai beban tidak seimbang seperti Gambar 6.
Bila sumber tegangan dan arus beban diberikan
dalam benfuk komponen simetri sebagai berikut:
Yo : Yn lcrn, V- :
Io = Io l9* ,1- : l'
Nilai faktor daya dicari dengan
(41)
sudah ditentukan pada persamaan
Pengaruh ketidakseimbangan beban
terhadap faktor daya pada suatu
harga ketidakseimbangan tegangan
tertentu.
Dari gambar tersebut terlihat bahwa
V,'*Yl+V"')l:
(42)
i'uli-,,*i"u
--l''
dengan
semakin meningkatnya ketidakseimbangan beban
(%f fi.) maka akan terlihat untuk kondisi
ketidakseimbangan tegangan yang tertentu (dalam
gambar %Y lY*:14 %) akan diperoleh faktor
daya yang semakin kecil. Hal ini disebabkan karena
semakin besarnya harga S tiga fasa tidak seimbang.
Sedangkan daya aktif totalnya mengalami
peningkatan yang kecil karena harga P' dan P0 jauh
dibawah harga P*
.
4. ANALISIS KESALAHAN
PENGUKURAN KWh 1VIETER DAN
BESAR ENERGI SESTJNGGUI{NYA
YANG DIKONSUMSI DT PT. SEMEI{
GRESIK (PERSERO) TUBAN I
Pada bagian ini akan dibahas dan dianalisis besar
kesalahan penunjukan energi meter dan besaran
Beban tidak
seimbang
Gambar 6"
Beban tidak seimbang dengan sumber
tegangan tidak seimbang.
energi yang sebenarnya pada saat penumnan
kualitas surnber daya listrik dengan sfudi kasus
beban industri pada pabrik semen PT. Semen
Gresik (Persero) Proyek Tuban I.
Analisis dilakukan berdasarkan kondisi operasi yang
pernah terjadi pada sistem kelistrikan di PT. Semen
Gresik (Persero) Tuban
IPTEK - Voi. 9, No. 3, Nopember 1998
I.
Data yang ciigunakan
I
225
dalam analisis ini diambil dari hasil pengukuran
untuk harrnonisa, dan catatan pada laporan harian
Main Substation untuk data yang memang rutin
harus diketahui, seperti besarnya faktor daya serta
perubahan atau deviasi tegangan dan arus.
Berdasarkan Laporan Harian tanggal 5 Desember
1995, tercarat nilai faktor daya terburuk yang
pernah terjadi yaitu sebesar 0,66 lagging selama 4
f
':,i f''"'*'
l +ri&
'i 'i0)
f+
jam sejak pukul 07.00 hingga pukul 11.00.
r-(r !- * r ,"r,
h,,,,'
"4,
Sedangkan unfuk flukluasi tegangan, pada tanggal 5
Desember 1995 tercatat tegangan terendah yang
,,,ffi
_r*,"-
(
+L\''i
pernah terjadi yaitu 141 kV selama 3 jam. Hasil
pengukuran harmonisa terbesar yang dilakukan
pada tanggal 18 Desember 1995, yaitu THD
tegangan di Sub Station 1 (20 kV) sebesar 3 %.
4.1 Sistem kelistrikan di PT.
(Persero) Tuban
Semen Gresik
I
Sumber tenaga listrik PT. Semen Gresik (Persero)
Tuban I berasal dari jala-jala PLN dengan kapasitas
daya sebesar 2 x 50 MVA pada jaringan 150kV.
Besaran p.u. dihitung berdasarkan base daya 50
MVA dan base tegangan 150 kV; 20 kV; 6,3 kV;
0,4 kV yaitu sesuai dengan sistem tegangan yang
dipakai pada masing-masing area proses produksi.
Jaringan distribusi yang digunakan di pabrik Semen
Tuban I ini adalah jaringan distribusi radial dengan
-'-.c)
T\{l
V)
qir
Beban kelistrikan di pabrik Semen Tuban I yang
mempunyai kapasitas produksi 2,3 juta ton semen
pertahun, dibagi sesuai dengan tahapan area proses
produksi. Tabel 2 menunjukkan pembagian beban
berdasarkan daya aktif dari peralatan pada sistem
kelistrikan pabrik Semen Tuban I. Dari tabel
tersebut dapat dilihat bahwa beban terbagi dalam
tiap-tiap Electrical Room, pada level bus 6,3 kV
(bus MV) dan 0,4 kV (bus LV). Sedangkan daya
aktif dari masing-masing peralatan didasarkan pada
'iu
I
i
r.'
.),rrrr".
>' ] t,[*-i,
i
",'
Gambar 8.
Single line diagram dari
sistem
kelistrikan pada pabrik Semen Tuban I.
bus PLN sebagai bus sumber. Sedangkan untuk
mempermudah dalam pengoperasiannya, sistem
jaringan dibagi dalam 2 bagian main station (Tuban
II merupakan bagian yang terpisah) dan 4 sub
station, seperti pada Gambar 8.
-
t
Tabel
2.
Pembagian beban berdasarkan Electrieal
Room
bR
Area
SS
MV
2
3A
JB
44
LnrEstone Urusher
LrrEstone Crusher
2tT2.82
lJ.vt
2EE6.EI
u.u
9f6.3I
Mtll
Roller Mill
3V24.At
l5l5.9t
%6.3t
1440.fi
Koller
ll
Blending
4ts
[-balMill
5
Krm reed
& bP
Bumer
df.
Cooler
LlmKer
(t[:lomg
6
U
ut
ul
:ban (t(w)
LV
l otal
racK,rlg
o4{)/.!rt
0.0(
t't54.u
l2E6.l
1164.ff
tw"a
'zJtt6.2:
tzvz.t
uffi.22
36I7.35
l04 /.6J
3:)'f,5.Zl
)J
l.Jt
J4I6.!
39,t8.11
lz4J4.3:
z)qy.9<
t4974.31
u.0(
t398.9:
1398.94
operasi normal dari peralatan tersebut.
Vol. 9, No. 3, Nopember 1998 - IPTEK
226
Proses produksi dari pabrik Semen Tuban I ini tidak
berjalan berurutan, dilihat dari penggunaan
mesin-mesin induksi sebagai motor penggerak.
4.2 Pemadaman
Mesin-mesin tersebut tidak bekerja terus-menerus
selama 24 jam dalam satu hari, melainkan ada
interval waktu dalam pengoperasiannya. Seperti
halnya di dalam area Limestone Crusher, mesin
induksi 231 CR1MO1 dengan daya maksimum 1072
kW digunakan untuk rnemecah batu-batu kapur,
dan kemudian hasil akhirnya akan disimpan di
dalam silo-silo penyimpanan. Jika silo-silo tersebut
telah penuh maka proses penghancuran tersebut
akan dihentikan, yang berakibat mesin induksi 231
CRlMOl akan mati.
penunjukan pada alat ukur energi
Untuk mengetahui junrlah energi yang dipakai oleh
Semen Tuban I, pihak penyedia jasa kelistrikan
yaitu PLN, memasang kWh meter pada Bus HV
PLN. Untuk kebunrhan sendiri, pihak Semen Tuban
I juga memasang kwh meter pada tiap Main
Substation
dan Sub Station. Oleh
karena
pengukuran dilakukan pada Main Substation, maka
analisis pengaruh kualitas sumber daya listrik
terhadap energi meter dilakukan dengan kondisi
yang terjadi pada Main Substation untuk tiap+iap
faktor kualitas sumber daya listrik.
Pemadaman
tidak
menimbulkan kesalahan
kwh meter dan
falctor daya.
4.3 Turun Naiknya Tegangan
Turun naiknya tegangan tidak menimbulkan
kesalahan penunjukan pada alat ukur energi kwh
meter, selama penurunan dan kenaikan tegangan
tersebut tidak di luar batas kemampuan dari kWh
meter. Biasanya batas tegangan antara 80% sampai
I20To dad tegangan nominal. Sedangkan batas dari
kenaikan'dan penurunan tegangan untuk sistem,
menurut standar adalah antara 90% sampai l0S%.
Jika terjadi perubahan tegangan sampai di luar batas
kemampuan kumparan, maka akan timbul kesalahan
penunjukan yang disebabkan oleh perubahan harga
resistansi dari inti kumparan tegangan dan saturasi
dari inti kumparan.
Dalam kasus ini flukruasi tegangan maksimum yang
terjadi berupa penurunan tegangan sebesar 6%
(L4I kV). Hal ini akan menyebabkan kenaikan
faktor daya sekitar 2-37o pada beban (motor
induksi), yang juga akan menaikkan faktor daya
pada Main Substation, di mana aliran energi diukur.
Tetapi faktor daya ini merupakan harga faktor daya
yang sesungguhnya, karena
20
s>15
itu tidak akan
menyebabkan kesalahan pada besaran energi yang
terukur.
10
5
,:00 17:00i9:OO 21:00
21:00 23:00
Gambar 9.
'l:00 3:m
5:OO
5:00
Kurva beban harian tanggal
4.4 Rendahnya Faktor Daya
5
Desember 1995.
Berikut akan dilakukan analisis akibat dari pengaruh
tiap+iap faktor kualitas sumber daya listrik dalam
keadaan mantap terhadap penunjukan dari kWh
meter jenis induksi, serta analisis terhadap faktor
daya, yang selanjutnya akan digunakan untuk
menghitung besaran energi yang dikonsumsi.
IPTEK - Vol. 9, No. 3, Nopember 1998
Rendahnya faktor daya tidak menimbulkan
kesalahan penunjukan pada alat ukur energi kwh
meter. Nilai faktor daya terendah yang pernah
dialami Pabrik Semen Tuban I (0.66 log)
menentukan besaran energi yang dikorsumsi, tetapi
harus diperhirungkan pula pengaruh dari faktor
kualitas sumber daya listrik yang lain (distorsi
harmonik dan ketidakseimbangan tegangan).
il
227
4.5 Distorsi Harmonik
9:00 11:00 13:00
Berdasarkan hasil pengukuran harmonisa yang
terjadi pada Main Substation di Pabrik Sernen
Tuban I, dilakukan perhitungan persen kesalahan
penunjukan alat ukur energi kWh meter untuk tiap
power /fize seperti ditunjukkan pada Gambar 10 (a)
l5:OO 17:OO 1g:00 2t:OO 23:Oo
-2
;.J
;S
-4
dan (b).
Flnunjirlaa \rvaktu
Gambar 10 menunjukkan bahwa persen kesalahan
memiliki harga negatif yang berarti penunjukan
kWh rneter kurang dari yang seharusnya (under
register\ karena sumber harmonisa berada di sisi
beban. Dari Garnbar 10, didapat harga-harga seperti
ditunjukkan pada Tabel 3.
3. Harga
Tabel
(a)
7:00
9:m
11r0C 13i0O 15:m 17:m i9:0O A1:OO
23:@
1:00
maksimum, minimum, rata-rata
dan standar deviasi
Max
Min
Rata-ratr
Standar
Deviasi
-5.67
-2,13
-3.04
1.33
Dari
kesalahan penunjukan tersebut dapat
diprakirakan kerugian yang diderita oleh PLN
dalam satu hari dengan anggapan harga per
kWh adalah Rp. 109.5 adalah Rp.2.41i.812,00.
Analisis akibat adanya distorsi harmonik terhadap
faktor daya dilakukan dengan mengukur faktor
distorsi harmonik pada bus tersebut. Pada kasus ini
dilakukan analisis pada bus Main Substation dan
beberapa ER (ER-3A dan ER-6) sehingga diperoleh
falror daya seperti Tabel 4.
Tabel 4. Faktor daya pada beberapa bus.
No
,!
%VTH
V"ITH
D
D
lnc FR-3A
2.3
341RM1MO2
2.3
LoLasi
TM302
u
J
dPF
TPF
4.3
0.77
0.77
58
o.77
0.66
1.2
0.77
0.77
ER.6
1.4
1.7
477
0.77
441FNQ
1.4
2.9
0.77
4.77
441 FNR
1.4
50.3
o.77
0.69
441 FNS
14
52.4
0.77
0.68
TM 603
1.4
1.7
o77
0.77
Main Sub
1.2
1.2
0.79
0.79
FsMjukan WddJ
(b)
Gambar
10. % Kesalahah
penunjukan kWh merer
selama 24 jam.
(a) Power Line no.I;
(b) Power
Line
no.Z.
Dari tabel di atas terlihat bahwa fakror daya
sebenarnya (TPF) akan semakin rendah untuk
bus-bus yang dekat dengan surnber harmonisa.
Sedangkan untuk bus-bus yang jauh dari surnber
harmonisa falctor dayanya hampir tidak mengalarni
perubahan.
Karena Main Swbstarlon terletak .jauh dari sumber
harmonisa maka harga faktor daya sebenarnya akan
sangat mndekati harga dPF, yang selanjutnya tidak
menimbulkan kesalahan pada harga KVar yang
digilnakan untuk menentukan denda kelebihan
pemakaian daya reaktif.
4.6 Ketidakseimbangan Tegangan
Kesalahan penunjukan kWh meter jenis induksi tiga
fasa tidak akan terjadi jika komponen perfasanya
tidak saling berinterferensi, karena kr$/tr meter tiga
Vol. 9, No. 3, Nopember 1998 - IPTEK
228
fasa pada dasarnya merupakan gabungan dari tiga
melampaui batas komponen tiap fasanya.
terhubung pada sumber harmonik (lihat tabel
4).
Tabel 4 menunjukkan bahwa penempatan alat
ukur energi harus memperhatikan lokasi sumber
harmonik.
Berdasarkan hasil analisis, maka pihak yang
dirugikan adalah pengelola sistem kelistrikan
Pada Pabrik Semen Tuban
kesalahan penunjukan
buah kWh saru fasa.
Kalaupun terjadi ketidakseimbangan tegangan,
kesalahan penunjukan juga tidak akan terjadi,
selama ketakseirnbangan yang terjadi tidak berupa
kasus penurunan atau kenaikan tegangan yang
I tidak ditemukan adanya
ketidakseimbangan tegangan.
3.
4.
yang dianalisis, hanya distorsi harmonik yang
mempengaruhi penunjukan alat ukur kWh meter
jenis induksi.
Persen kesalahan berharga negatip yang berarti
penunjukan kWh meter lebih kecil dari yang
sesungguhnya sebagai akibat dari arah aliran
daya harmonik yang menuju ke sistem (pLN).
Besaran energi aktif (kWh) yang diukur tidak
dipengaruhi oleh penurunan kualitas sumber
daya listrik, sedangkan faktor daya yang dalam
hal ini digunakan unfuk menentukan pemakaian
energi reaktif hanya dipengaruhi oleh distorsi
harmonik dan ketidakseimbangan tegangan.
Faktor daya sesungguhnya lebih rendah dari
faktor daya yang terukur dengan adanya
penurunan kualitas sumber daya listrik.
Kemungkinan bisa terjadi faktor daya yang
terukur lebih besar dari syarat minimal yang
ditetapkan oleh pLN (0.85), sedangkan faktor
daya sesungguhnya lebih rendah dari syarat
minimal tersebut. Dalam hal ini pihak pLN
yang dirugikan karena saat ini denda akibat
kelebihan pemakaian daya reaktif (rendahnya
5.
8.
(PLN), dengan prakiraan kerugian
akibat
kWh meter pada pabrik
kurang lebih sebesar Rp.
Semen Tuban I
2.411.8I2,00 per hari.
5. KESIMPULAN
l. Dari faktor-faktor kualitas sumber daya listrik
2.
7.
Apendiks : Total Harmonic Distortion (THD)
Ada beberapa ukuran yang sering dipakai untuk
menentukan kandungan harmonik pada bentuk
gelombang. Salah sarunya yang sering dipakai
adalah total hnrmonic distortion (THD), yang dapat
dihitung baik dari tegangan maupun arus:
h
THD=
I
IMf,.
maKS
h=2
Dengan Mh merupakan harga rms dari komponen
harmonik h dari besaran M (tegangan atau arus).
THD merupakan harga efektif dari komponen
harmonik pada bentuk gelombang yang terdistorsi,
yang biasanya dinyatakan dalam % dimana %THD
= THD x 100.
DAFTAR ACUAN
Baghzouz,
Y., Tan, O.T. (19g5), Harmonic
faktor daya) ditentukan berdasarkan faktor daya
yang terukur bukan faktor daya sesungguhnya.
Dengan menggunakan model matennatik dari
Analysis Of Induction KWh meter performance,
kesalahan
Burke, J.J., Griffith, D.C., Ward, D.J. (1990).
Power Quality-Two Different perspectives,
IEEE Transactions On power Deliven-.
Vol.5 (3).
kWh meter diperoleh rata-rata
pengukuran sebesar -0.A367% per hari untuk
alat ukur energi pada Main Substation pabrik
Semen Tuban I.
6. Di
Pabrik Semen Tuban
I
tidak ditemukan
adanya ketidakseimbangan tegangan, sedangkan
akibat distorsi harmonik penurunan faktor daya
yang cukup berarti terjadi
pada bus yang
IPTEK - Voi. 9, No. 3, Nopember 199g
IEEE Transagli6ns On Power Apparatus
and System, Vol. pAS-ICA (Z).
Dugan, R.C., McGranaghan M.F., Beaty H.W.
(1996), Electrical Power Systems eualif-v.
McGraw-Hill, New york.
229
A.E. (1993), On The Definition Of Power
Factor And Apparent Power in Unbalanced
Polyphasa Circuits With Sinusoidal Valtage
and Currenrs, IEEE Transactions on Power
Delivery, Vol. 8 (3).
Emanuel
Hermawanto, B. (i996), Phenomena Harmonik di
Sistem Distribusi Tenaga Listrik : Masalah,
Penyebab dan Usaha Mengatasinya, ENERGI
& LISTRIK, Volume VI (2).
IEEE Standard 241. (1983), IEEE Recommended
Practice for Electric Power Systems in
Comercial Buildings, John Wiley & Sons,
New York.
IEEE Working Group on Nonsinusoidal Situation.
(1996), Effect on Meter Perfarmance and
Definitions of Power, Practical Definitions for
Powers in Systems with Nonsinusaidal
Situations
and
Unbalanced Loads: A
Discussion, IEEE Transactions on Power
Delivery, Vol. 11(1).
Kazibwe, W.8., Sendaula, M.H. (1993), Electric
Power Quality Control Techniques, Van
Nostrand Reinhold, New York.
Makram, 8.B., Wright, C.L., Girgis, A.A. (1992),
A Harmonic Analysis of the Induction KW
Penangsang,
O., Widodo, B.K. (1995), pengaruh
Kualitas Energi Listrik Terhadap penghemntan
Energi Listrik Pada Beban Industri, Laporan
Penelitian, Lernbaga penelitian ITS.
O., Anam, S. (1997), Analisis dan
Sirrculasi Peningkatan Kualitas Energi Listik
Penangsang,
Serta Pengaruhnya Terhadap penghematan
Pemnkaian Energi pada Komponen {Jtama
Beban Industri, Laporan penelitian, ppSLpT,
ADB Loan No. 1253-INO,
Anggaran
199611997 (Small Matching Grant); 1998,
Majalah IPTEK, Lembaga peneiitian ITS,
Vol. 9 (1), hal. 69-84.
Singh, T.P., Risser, R.J., Krein, S.D. (1gg}),
Power Quality Aspects of Energy Efficiency
: What is at Stake?, pacific Gas and Electric
Company, R&D, San Ramon, CA.
D., Hermawanto, B. (1993), Evaluasi
Mutu Listrik Pada Sistem Kelistrikan Jawa
Bali, Seminar Nasional Ketiga Teknik
Tenaga Listrik, ITB Bandung, 1-4 Februari.
Susanto,
Wardhani. (1996), Pengaruh Beban Industri pada
mutu Tenaga Listrik,. ENERGI & LISTRIK.
Volume VI (2).
meter's Registration Error,
IEEE
Transactions on Power Delivery, Vol. 7 (3).
O. (1992), Simulasi Harrnonik Untuk
Mengetahui Tingkat Distorsi Pada Sistem
Tenaga Listrik, Laporan Penelitian, Lembaga
Penangsang,
Penelitian ITS.
Vol. 9, No. 3, Nopember 1998 - IPTEK