bab ii tinjauan pustaka - USU-IR

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Kualitas Daya Listrik
Peningkatan terhadap kebutuhan dan konsumsi energi listrik yang baik dari segi
kualitas dan kuantitas menjadi salah satu alasan mengapa perusahaan utilitas penyedia listrik
perlu memberi perhatian terhadap isu kualitas daya listrik. Terlebih pada konsumen
perindustrian yang membutuhkan supply listrik yang baik yaitu dari segi kontinuitas dan juga
kualitas tegangan yang disupply (karena mesin-mesin pada perindustrian sensitif terhadap
lonjakan/ ketidakstabilan tegangan) perlu diusahakan suatu sistem pendistribusian tenaga
listrik yang dapat memberikan pelayanan yang memenuhi kriteria yang diinginkan
konsumennya.
Istilah kualitas daya listrik bukanlah hal yang baru melainkan sudah menjadi isu
penting pada industri sejak akhir 1980-an. Kualitas daya listrik memberikan gambaran akan
baik buruknya suatu sistem ketenagalistrikan dalam mengatasi gangguan-gangguan pada
sistem tersebut.
Roger C. Dugan memberikan empat alasan utama perlunya perhatian lebih akan
masalah kualitas daya [4] :
1.
Perangkat listrik yang digunakan pada saat ini sangat sensitif terhadap kualitas daya
listrik yang mana perangkat berbasis mikroprosesor dan elektronika daya lainnya
membutuhkan tegangan pelayanan yang stabil dan level tegangannya juga harus
dijaga pada tegangan kerja perangkat tersebut.
2.
Peningkatan yang ditekankan pada efisiensi daya /sistem kelistrikan secara
keseluruhan yang mengakibatkan pertumbuhan lanjutan dalam aplikasi perangkat
dengan efisiensi tinggi, seperti pengaturan kecepatan motor listrik dan penggunaan
kapasitor bank untuk koreksi faktor daya untuk mengurangi rugi-rugi. Hal ini
mengakibatkan peningkatan tingkat harmonik pada sistem tenaga dan mengakibatkan
banyak praktisi dibidang sistem ketenagalistrikan khawatir akan dampak tersebut di
masa depan (dikhawatirkan dapat menurunkan kemampuan dari sistem tersebut).
3.
Meningkatnya
kesadaran
para
konsumen
akan
masalah
kualitas
daya.
Dimana pelanggan/ konsumen menjadi lebih mengerti akan masalah seperti
Universitas Sumatera Utara
interupsi, sags, dan transien switching dan mengharapkan sistem utilitas listrik untuk
meningkatkan kualitas daya yang dikirim.
4.
Sistem tenaga listrik sekarang ini sudah banyak yang melakukan interkoneksi antar
jaringan, di mana hal ini memberikan suatu konsekuensi bahwa kegagalan dari
setiap komponen akan mengakibatkan kegagalan pada komponen lainnya.
Masalah yang dapat timbul dari sistem tenaga listrik dengan kualitas daya yang buruk
dapat berupa masalah lonjakan/ perubahan tegangan, arus dan frekwensi yang akan
menimbulkan kegagalan/ misoperasi peralatan. Yang mana kegagalan ini merusak peralatan
listrik baik dari sisi pengirim maupun sisi penerima. Untuk itu demi mengantisipasi kerugian
yang dapat terjadi baik dari pihak PLN maupun masyarakat, pihak PLN harus mengupayakan
sistem ketenagalistrikan yang baik. Masalah kualitas daya yang akan dibahas pada tulisan ini
adalah mengenai faktor daya dan jatuh tegangan.
2.1.1 Faktor Daya
Faktor daya merupakan salah satu indikator baik buruknya kualitas daya listrik.
Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt) dengan daya
semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya semu/daya total.
Peningkatan daya reaktif akan meningkatkan sudut antara daya aktif dan daya semu sehingga
dengan daya aktif yang tetap akan mengakibatkan peningkatan daya semu yang akan
dikirimkan. Dengan kata lain akan menurunkan efisiensi dari sistem distribusi
ketenagalistrikan. Nilai faktor daya maksimal adalah satu.
Faktor daya juga disimbolkan sebagai cos θ, dimana:
cos θ = pf =
P
S
(2.1)
Seperti terlihat pada persamaan 2.1 , nilai faktor daya tertinggi adalah 1. Sistem
dengan faktor daya seperti ini memiliki efisiensi yang sangat baik dimana hal ini berarti daya
total/ semu (VA) yang dibangkitkan digunakan secara utuh pada beban resistif (W). Dalam
hal ini nilai daya total/ semu (VA) sama dengan daya aktif (W).
Universitas Sumatera Utara
P, kW
θ
Q,
kVAR
S, kVA
Gambar 2.1 Diagram phasor
P
θ1
θ2
Q2
S2
S1
QC
Gambar 2.2 Power factor correction
Gambar 2.1 menunjukan hubungan antara daya aktif, reaktif dan daya semu. Pada
gambar tersebut terlihat bahwa daya semu/ total adalah penjumlahan vektor dari daya aktif
dan reaktif. Gambar 2.2 adalah gambar perbaikan faktor daya dengan kompensator daya
reaktif (kapasitor).
Kapasitas kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya beban dapat
dihitung sebagai berikut:
Daya reaktif pada p.f awal
Q1 = P x tan θ 1
(2.2)
Q2 = P x tan θ 2
(2.3)
Daya reaktif pada p.f yang diperbaiki
dimana P = konstan
Universitas Sumatera Utara
Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah :
Daya reaktif Qc = Q1 - Q2
(2.4)
∆Q = P x (tan θ awal -tan θ target)
(2.5)
atau
2.1.2 Jatuh Tegangan
Jatuh tegangan dapat didefenisikan sebagai besarnya tegangan yang hilang pada suatu
penghantar. Jatuh tegangan berbanding lurus dengan impedansi saluran. Besarnya jatuh
tegangan dinyatakan baik dalam persen atau dalam besaran Volt. Dalam hal ini PLN
membatasi tegangan minimun pada batasan -10% dari tegangan nominal dan tegangan
maksimumnya tidak lebih dari +5% dari tegangan nominalnya.
Penurunan persamaan jatuh tegangan dapat ditentukan dari gambar diagram phasor
transmisi daya pada gambar berikut :
d
Vs
∆Vq
IX
Vr
θ
a
Ip
c
b
IR
e
Iq
∆Vp
Gambar 2.3 Diagram phasor transmisi daya ke beban
Beban-beban yang terdapat pada sistem tenaga listrik bukanlah bersifat resistif murni
melainkan bersifat resistif-induktif. Beban resistif akan menyerap daya aktif, sedangkan
beban induktif akan menyerap daya reaktif yang dihasilkan oleh pembangkit. Penyerapan
daya reaktif oleh beban induktif ini akan menyebabkan jatuh tegangan sehingga terjadi
hilangnya tegangan pada saluran selama proses pendistribusian dan mengakibatkan nilai
tegangan disisi penerima akan berbeda dengan nilai tegangan pada sisi pengirim. Persamaan
jatuh tegangan dapat dilihat pada persamaan berikut :
Universitas Sumatera Utara
Vs2 = (Vr +∆Vp)2 + (∆Vq)2
(2.6)
Keterangan : Vs = tegangan di sisi pengirim
Vr = tegangan di sisi penerima
∆Vp = jatuh tegangan
Dimana :
∆Vp = IR cosθ + IX sinθ
(2.7)
∆Vq = IX cosθ – IR sinθ
(2.8)
Sehingga persamaan tegangan di sisi pengirim (Vs) menjadi :
Vs2 = (Vr + IR cosθ + IX sinθ)2 + (IX cosθ – IR sinθ)2
Karena nilai ∆V
q
(2.9)
= IX cosθ – IR sinθ sangat kecil, maka nilai tersebut dapat diabaikan.
Sehingga persamaan Vs2 menjadi :
Vs2 = (Vr +∆Vp)2
(2.10)
Sementara itu untuk persamaan jatuh tegangan dapat kita tentukan :
∆Vp = IR cosθ + IX sinθ
Atau
∆Vp = R
P
Vr
+X
Q
Vr
(2.11)
Keterangan : R = resistansi saluran
X = reaktansi saluran
P = daya aktif yang dikirim ke beban
Q = daya reaktif yang dikirim ke beban
2.2
Kapasitor bank
Dalam perbaikan faktor daya dan pengaturan tegangan jaringan, para engineer
menggunakan kapasitor bank dengan sistem kompensasi daya reaktif yang ditawarkannya.
Pada saluran transmisi, beban yang bersifat induktif akan menyerap daya reaktif, yang
kemudian akan dapat menimbulkan jatuh tegangan di sisi penerima. Disinilah kapasitor bank
Universitas Sumatera Utara
berfungsi dalam mengkompensasi daya reaktif dan memastikan tegangan terjaga pada
levelnya pada saat beban penuh.
Pemasangan kapasitor bank adalah usaha yang dilakukan untuk memberikan supply
daya reaktif. Sehingga penggunaan kapasitor bank akan mengurangi penyerapan daya reaktif
sistem oleh beban. Hal ini dilakukan agar jatuh tegangan dan rugi-rugi jaringan yang terjadi
dapat dikurangi.
Selain dapat memperbaiki nilai tegangan, pengaturan tegangan dengan menggunakan
kapasitor bank juga dapat meningkatkan nilai faktor daya. Sebab dengan memasang kapasitor
bank, akan dapat mengurangi penyerapan daya reaktif oleh beban. Pengurangan penyerapan
daya reaktif oleh beban pada sistem, akan dapat meningkatkan nilai faktor daya.
Kapasitor bank memberikan manfaat yang besar untuk kinerja sistem distribusi.
Dimana
kapasitor bank dapat mengurangi losses, memperbesar kapasitas layanan dan
mengurangi drop tegangan [5]:
-
Rugi-rugi jaringan – dengan memberi kompensasi daya reaktif pada motor dan beban
lainnya dengan power faktor yang rendah, kapasitor akan menurunkan arus jaringan.
Penurunan arus ini akan mengurangi rugi-rugi I2R jaringan secara signifikan.
-
Kapasitas – penurunan arus di jaringan ini lebih lanjut akan memperbesar kapasitas
pelayanan dimana, jaringan yang sama akan dapat melayani beban yang lebih besar.
-
Drop tegangan – kapasitor bank dapat mengurangi voltage drop dimana dengan
kompensasi daya reaktif akan meningkatkan /menaikkan level tegangan jaringan.
2.2.1 Efek Pemasangan Kapasitor Seri dan Paralel (shunt)
Fungsi utama dari pemakaian kapasitor seri dan shunt adalah untuk mengatur
tegangan dan aliran daya reaktif pada titik dimana kapasitor tersebut dipasang. Kapasitor
shunt melakukannya dengan mengubah power faktor dari beban, sedangkan kapasitor seri
melakukannya dengan secara langsung mengurangi reaktansi induktif [6].
a.
Kapasitor Seri
Kapasitor seri adalah kapasitor yang pemasangannya dihubungkan seri dengan
impedansi saluran. Pemakaiannya sangat terbatas pada saluran distribusi, karena peralatan
pengaman cukup rumit akibat dari kurang flexibelnya penggunaan kapasitor seri tersebut.
Universitas Sumatera Utara
Jadi secara umum dapat dikatakan bahwa biaya untuk pemasangan kapasitor seri lebih mahal
daripada biaya pemasangan kapasitor paralel. Biasanya juga, kapasitor seri didesain untuk
daya yang lebih besar daripada kapasitor paralel, guna mengatasi perkembangan beban
kelak[3].
Z’ = R + j(Xl - XC))
Z = R + jXl
I
+
Vr
-
Vs
-
I
+
Vs
-
(a)
+
Vr
-
(b)
VS
IXC
V S’
IZ
VR
θ
IXL
I
VR
θ
IR
IZ’
IXL
VC
I
(c)
(d)
Gambar 2.4 gambar diagram pemasangan kapasitor seri
Gambar 2.4 a adalah bagan satu garis dari suatu penyulang, sedangkan gambar 2.4 c
adalah diagram fasornya. Bila pada penyulang tersebut diujung penerimanya dipasang
kapasitor bank (seri), maka bagan satu garisnya akan terlihat seperti pada gambar 2.4 b dan
fasor diagaramnya seperti pada gambar 2.4 d.
Pada gambar 2.4 a dan 2.4 c, jatuh teganagn pada penyulang tersebut dapat
dinyatakan secara pendekatan sebagai berikut :
VD = IR cos θ + IXL sin θ
(2.12)
Dari gambar 2.4 b dan 2.4 d, hasil jatuh tegangan akibat dipasangnya kapasitor seri dapat
dihitung sebagai berikut :
VD = IR cos θ + I(XL-XC) sin θ
(2.13)
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
R = tahanan dari penyulang (Ω)
XL = reaktansi induktif penyulang (Ω)
XC = reaktansi kapasitif dari kapasitor seri (Ω)
b.
Kapasitor Paralel (Shunt)
Kapasitor shunt, adalah kapasitor yang pemasangannya dihubungkan paralel dengan
saluran dan secara luas digunakan pada sistem distribusi. Kapasitor shunt mencatu daya
reaktif atau arus yang menentang komponen arus beban induktif. Gambar 8 merupakan bagan
satu garis suatu penyulang tanpa kapasitor shunt, dan fasor diagramnya dilihat pada gambar
10. Gambar 9 dan 11 masing-masing menggambarkan bagan satu garis dan fasor diagram bila
saluran tersebut dipasang kapasitor shunt di ujung saluran[6].
Z = R + jXL
Z = R + jXl
IS
+
Vr
-
Vs
-
I
XC
I’
+
Vs
-
IC
(a)
(b)
V S’
VS
IZ’
IZ
VR
θ
+
Vr
-
IXL
IC
IR
I
θ’
I’
VR
IC
I
(c)
(d)
Gambar 2.5 gambar diagram pemasangan kapasitor shunt
Sebelum kapasitor shunt dipasang pada ujung saluran, jatuh tegangan pada penyulang
tersebut dapat dihitung :
VD = IR cos θ + IXL sin θ
(2.14)
Universitas Sumatera Utara
atau
VD = (I cos θ)R + (I sin θ) XL
(2.15)
atau
VD = IRR + IXXL
(2.16)
Bila kapasitor dipasang pada ujung penerima dari saluran, seperti yang terlihat pada
gambar 2.5 b dan d, secara pendekatan jatuh tegangan sekarang menjadi :
VD = IRR + IXXL - ICXL
(2.17)
Perubahan jatuh tegangan sebelum dan sesudah dipasangnya kapasitor shunt dapat
dinyatakan sebagai :
VD = ICXL
(2.18)
Dimana :
R = tahanan total dari sirkuit penyulang
XL = reaktansi induktif total dari penyulang
IR = komponen arus aktif
IX = komponen arus reaktif lagging
IC = komponen arus reaktif leading
Adapun pemasangan yang akan diterapkan dalam tugas akhir ini adalah dengan
kompensasi shunt (pemasangan kapasitor secara paralel terhadap jaringan), dimana alasan
utama pemilihannya adalah masalah flexibilitas penggunaan kapasitor itu sendiri.
2.2.2 Metode Penentuan Lokasi Kapasitor Bank
Ada beberapa metode yang dikembangkan dalam usaha untuk mengoptimalkan
penggunaan kapasitor bank. Lokasi penempatan kapasitor bank tersebut akan mempengaruhi
seberapa besar pengaruh pemakaian kapasitor bank terhadap perbaikan faktor daya jaringan.
Pada dasarnya kapasitor bank paling baik ditempatkan di dekat pusat-pusat beban.
Namun yang hal yang menyulitkan para engineer adalah menentukan dimana
sebenarnya pusat beban tersebut. Karena pola konsumen yang bervariasi tentunya tidak dapat
kita tentukan pusat beban begitu saja, kita butuh pendekatan-pendekatan untuk
mengidentifikasi dimanakah pusat beban tersebut.
Universitas Sumatera Utara
Dalam tugas akhir ini penulis akan membahas 2 teori dalam penempatan lokasi
kapasitor bank yang optimum, yaitu teori “2/3 rule”
[7]
oleh Neagle and Samson dan teori
“1/2-kvar rule” [8] oleh Grainger/Lee.
a.
Metode jarak
Metode jarak ini secara luas digunakan oleh para engineer dalam menentukan size dan
penempatan kapasitor untuk secara optimum mengurangi losses. Neagle and Samson
mengembangkan pendekatan penempatan kapasitor untuk beban yang terdistribusi merata.
Dari penelitian yang dilakukannya mereka mengembangkan teori metode jarak dalam
memilih dan menempatkan kapasitor. Untuk beban yang terdistribusi merata, ukuran
kapasitor yang optimum adalah 2/3 dari var yang dibutuhkan jaringan (lihat gambar 2.7).
Penempatan yang optimal dari kapasitor adalah pada jarak 2/3 dari gardu ke ujung
saluran. Dalam penempatan optimal untuk beban yang terdistribusi merata ini, sumber
(gardu) menyuplai daya reaktif (var) untuk 1/3 panjang jaringan pertama, dan kapasitor bank
menyuplai untuk 2/3 panjang jaringan berikutnya.
Generalisasi dari metode jarak ini untuk n jumlah kapasitor, adalah size dari tiap
kapasitor adalah sebesar 2/(2n+1) dari var yang dibutuhkan jaringan. Dan jarak untuk tiap
kapasitor harus sama yaitu dimulai dari jarak 2/(2n+1) dari total panjang jaringan dari gardu
sampai ke ujung saluran, dan kemudian menambahkan unit kapasitor selebihnya pada interval
2/(2n+1) dari total panjang saluran. Jadi total var yang disuplai oleh kapasitor bank adalah
2n/(2n+1) dari kebutuhan var jaringan.
Jadi untuk menggunakan 3 kapasitor, maka size dari tiap-tiap kapasitor adalah 2/7 dari
total var yang dibutuhkan dan ditempatkan pada jarak 2/7. 4/7, 6/7 dari jarak total dimulai
dari gardu[7].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 penempatan kapasitor bank dengan metode jarak
b. Metode aliran daya reaktif
Grainger and Lee
menyajikan metode yang sederhana namun optimal untuk
menempatkan kapasitor pada jaringan dengan load profile yang beragam, bukan hanya untuk
kondisi beban terdistribusi merata. Dengan metode Grainger and Lee, kita menggunakan
profil dari beban reaktif dari jaringan untuk menentukan lokasi penempatan kapasitor (lihat
gambar 2.8).
Ide dasar dari metode ini adalah untuk menempatkan kapasitor bank pada jaringan
dimana daya reaktif yang mengalir sama dengan setengah dari rating kapasitor(var-nya).
Dengan metode aliran daya reaktif ini, kapasitor menyuplai setengah dari var-nya
downstream dan setengah lagi upstream. Langkah- langkah pendekatanya adalah sebagai
berikut[8] :
-
Pertama, pilih ukuran standar kapasitor. Umumnya ukurannya berkisar mulai dari 300
sampai 1200 kvar, namun ada beberapa kapasitor berukuran sampai 2400 kvar.
Universitas Sumatera Utara
-
Tentukan lokasi kapasitor bank pertama
Mulailah dari ujung jaringan, tentukan lokasi kapasitor bank pada posisi dimana var
yang mengalir adalah sama dengan setengah dari rating kapasitor (var-nya).
-
Tentukan lokasi kapasitor berikutnya
Setelah kapasitor bank pertama ditempatkan, evaluasi ulang profil var jaringan
tersebut. Kemudian bergeraklah upstream sampai di titik berikutnya dimana dimana
var yang mengalir adalah sama dengan setengah dari rating kapasitor. Lanjutkan
menempatkan kapasitor bank dengan cara yang sama sampai tidak ada lagi lokasi
yang memenuhi kriteria (dimana var yang mengalir adalah sama dengan setengah dari
rating kapasitor).
Dalam hal ini kita tidak harus menggunakan kapasitor dengan ukuran yang sama. Kita
dapat menempatkan sebuah kapasitor 300 kvar diposisi dimana aliran daya sama dengan 150
kvar, kemudian menempatkan kapasitor berikutnya yang ukurannya 600 kvar diposisi dimana
aliran daya sama dengan 300 kvar dan terakhir menempatkan kapasitor 450 kvar diposisi
dimana aliran daya sama dengan 225 kvar.
Gambar 2.7 penempatan kapasitor bank dengan metode aliran daya reaktif
Universitas Sumatera Utara
2.2.4 Penentuan Rating Kapasitor
Adapun untuk menentukan rating kapasitor yang akan digunakan, hal yang perlu
diketahui adalah keadaan jaringan sebelum pemasangan kapasitor dan harapan setelah
pemasangan kapasitor.
Untuk itu pertama sekali perlu diketahui faktor daya dari daerah tersebut, kemudian
untuk menentukan ukuran kapasitor bank yang digunakan, maka perlu ditentukan juga nilai
faktor daya yang ingin dicapai. Untuk menentukan nilai kapasitor bank yang di pakai, maka
dapat menggunakan perhitungan-perhitungan sebagai berikut:
PF awal
Cos θ 1 = X
θ1
= Cos-1 X
Q1
= P x Tan θ 1
PF yang diinginkan
Cos θ 2 = Y
θ2
= Cos-1 Y
Q2
= P x Tan θ 2
Nilai kapasitor yang harus dipasang :
Qc = Q1 – Q2
Rating unit kapasitor
dari 50 kVAR sampai lebih
500 kVAR tersedia
pada tabel. Tabel 2.2 menunjukkan rating kapasitor yang umum. Kapasitor bank pada
feeder biasanya memiliki satu atau dua atau ( jarang ) tiga unit per phasa. Umumnya
kapasitor bank hanya punya satu unit kapasitor per phasa.
Universitas Sumatera Utara
IEEE Std menjelaskan petunjuk standar untuk penggunaan kapasitor. Kapasitor tidak
boleh digunakan jika nilai berikut melewati batasan yang telah ditunjukkan
(IEEE Std. 18-2002) [9] :
•
135% dari Kvar pada nameplate
•
110% dari rating tegangan (rms), dan tegangan puncak tidak melebihi 1.2√2 dari
rating tegangan (rms)
•
135% dari arus nominal (rms) berdasarkan rating Kvar dan rating tegangan
Tabel 2.1 Rating Kapasitor yang umum
Universitas Sumatera Utara
2.3
ETAP (Electric Transient Analysis Program)
ETAP power station adalah salah satu software simulasi dalam sistem
ketenagalistrikan. Software ini bekerja dengan melakukan perhitungan dengan formula
matematis terhadap pemodelan yang dilakukan terhadap jaringan real. Sehingga dengan
simulasi ini dapat membantu pengguna untuk mengamati suatu operasi sistem
ketenagalistrikan tanpa harus melakukan eksperimen secara langsung.
Analisa tenaga listrik yang dapat dilakukan dengan menggunakan ETAP antara lain :
-
Analisa Aliran Daya (Load Flow Analysis)
-
Analisa Hubung Singkat (Short Circuit Analysis)
-
Motor Starting
-
Arc Flash Analysis
-
Harmonics Power System
-
Analisa Kestabilan Transien (Transient Stability Analysis)
-
Protective Device Coordination
Dan dalam tugas akhir ini akan memanfaatkan analisa aliran daya dalam melakukan
perhitungan rugi-rugi dan jatuh tegangan.Berikut ini akan ditampilkan gambar tampilan
jendela kerja pada ETAP power station.
Gambar 2.8 Tampilan jendela kerja ETAP
Universitas Sumatera Utara