OPTIMALISASI PENGGUNAAN KAPASITOR BANK PADA

OPTIMALISASI PENGGUNAAN KAPASITOR BANK PADA
JARINGAN 20 KV DENGAN SIMULASI ETAP
(Studi Kasus Pada Feeder Srikandi di PLN Rayon Pangkalan Balai,
Wilayah Sumatera Selatan)
David Tampubolon, Masykur Sjani
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
Email: [email protected]
Abstrak
Permintaan kebutuhan listrik yang semakin meningkat, baik dari segi kuantitas maupun kualitas
menuntut perusahaan utilitas listrik di Indonesia untuk dapat menjawab permintaan tersebut dengan
melakukan kontrol kualitas pelayanan listrik. Adapun beberapa parameter penting yang harus
diperhatikan guna menjaga kualitas daya diantaranya adalah faktor daya dan jatuh tegangan. Salah satu
solusi perbaikan faktor daya dan jatuh tegangan adalah dengan penggunaan kapasitor bank. Tulisan ini
membahas mengenai penggunaan kapasitor secara optimal, serta penentuan lokasi, ukuran, dan jumlah
unit kapasitor. Dalam pembahasan dikaji kelayakan operasi dan kelayakan finansial penggunaan
kapasitor pada daerah yang diteliti. Untuk membantu pengambilan keputusan manajemen pengadaan
kapasitor bank dilakukan metode scoring yang memberikan penilaian kuantitatif terhadap kelayakan
teknik dan finansial. Simulator ETAP digunakan untuk mengetahui efektifitas penggunaan kapasitor
bank tersebut.
Kata kunci: kualitas daya, kapasitor bank, ETAP
1. Pendahuluan
2. Kualitas Daya Listrik
Mengingat pentingnya energi listrik bagi
kehidupan orang banyak maka suatu sistem
tenaga listrik harus bisa melayani pelanggan
secara baik, dalam arti sistem tenaga listrik
tersebut aman dan handal yaitu tidak
membahayakan manusia dan lingkungannya
serta dapat melayani pelanggan secara
memuaskan misalnya dari segi kontinuitas.
Selain itu, meningkatnya kesadaran masyarakat
akan kualitas daya listrik yang baik menjadi
alasan perlunya perusahaan utilitas memberi
perhatian lebih dalam hal tersebut.
2.1 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. Faktor daya juga disimbolkan
sebagai cos θ, dimana:
Adapun beberapa parameter penting yang
harus diperhatikan dalam sistem distribusi guna
menjaga kualitas daya antara lain adalah
masalah
harmonisa,
fluktuasi
tegangan,
frekwensi, faktor daya, jatuh tegangan, dan
beberapa faktor lainnya[1]. Pembahasan akan
difokuskan pada faktor daya dan jatuh tegangan
mengingat lokasi yang akan menjadi objek
penelitian memiliki faktor daya yang buruk dan
juga jatuh tegangan yang besar akibat panjang
dari sistem distribusi itu sendiri.
cos θ = pf = ............................................ (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
-62-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
2.3 Kapasitor Bank
secara utuh pada beban resistif (Watt). Dalam
hal ini nilai daya total/ semu (VA) sama dengan
daya aktif (Watt).
Kapasitor bank memberikan manfaat yang
besar untuk kinerja sistem distribusi. Dimana
kapasitor bank dapat mengurangi losses,
memperbesar kapasitas layanan dan mengurangi
jatuhc tegangan [2]:
2.2 Jatuh Tegangan
Jatuh tegangan merupakan besarnya
tegangan yang hilang pada suatu penghantar.
Jatuh tegangan terjadi karena mengalirnya arus
melalui tahanan atau impedansi dari peralatan
listrik yang dilalui sistem tersebut. Jatuh
tegangan pada saluran tenaga listrik secara
umum berbanding lurus dengan panjang saluran
dan beban serta berbanding terbalik dengan luas
penampang
penghantar.
Besarnya
jatuh
tegangan dinyatakan baik dalam persen atau
dalam besaran Volt. Besarnya batas atas dan
bawah
ditentukan
oleh
kebijaksanaan
perusahaan kelistrikan. Dalam hal ini PLN
membatasi tegangan minimun pada batasan 10%
dan tegangan maksimumnya tidak lebih dari 5%
dari tegangan nominalnya.
1. 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.
2. Kapasitas – penurunan arus di jaringan ini
lebih lanjut akan memperbesar kapasitas
pelayanan dimana, jaringan yang sama akan
dapat melayani beban yang lebih besar.
3. Drop tegangan – kapasitor bank dapat
mengurangi voltage drop dimana dengan
kompensasi daya reaktif akan meningkatkan
menaikkan level tegangan jaringan.
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 :
∆Vp = IR cosθ + IX sinθ ........................... (2)
∆∆Vp = R
+X
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 1 dan 2 masing-masing
menggambarkan bagan/ diagram satu garis dan
fasor diagram bila saluran tersebut dipasang
kapasitor shunt di ujung saluran.
Z = R + jXL
I’
IC
................................... (3)
Keterangan : R = resistansi saluran
X = reaktansi saluran
P = daya aktif
Q = daya reaktif
Dari persamaan dapat terlihat, nilai jatuh
tegangan ditentukan oleh beberapa faktor, yaitu
daya aktif (P), resistansi dan reaktansi saluran (R
dan X) serta daya reaktif (Q). Pengaturan daya
aktif erat kaitannya dengan pengaturan frekuensi
sistem. Sedangkan pengaturan daya reaktif akan
mempengaruhi nilai tegangan. Oleh karena itu
dengan melakukan pengaturan nilai daya reaktif
kita dapat mengatur nilai tegangan.
I
XC
Gambar 1. Diagram satu garis
Gambar 2. Fasor Diagram
-63-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
Bila kapasitor dipasang pada ujung penerima
dari saluran, seperti yang terlihat pada gambar 1
dan 2, secara pendekatan jatuh tegangan
sekarang menjadi :
VD = IRR + IXXL - ICXL ............................ (4)
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 metode pemasangan yang diterapkan
pada penelitian ini adalah dengan kompensasi
shunt dimana alasan utama pemilihannya adalah
masalah flexibilitas penggunaan kapasitor itu
sendiri[3].
3. Metode Penelitian
Berikut ditampilkan diagram alir metode
penelitian yang dilakukan.
Gambar 3. Diagram alir metode penelitian
Gambar 3 menunjukkan diagram alir
penelitian yang dilaksanakan. Dalam melakukan
penelitian dibutuhkan data-data pendukung
untuk memungkinkan dilakukannya analisa
aliran daya. Data-data yang dibutuhkan untuk
membentuk one line diagram pada ETAP antara
lain data daya terpasang/ pemakaian, data beban
trafo, dan juga data jaringan. Data inilah yang
dikompilasikan pada ETAP, dimana dengan data
ini akan dilakukan simulasi sesuai dengan
situasi/ keadaan dan juga spesifikasi peralatan di
lapangan(mulai dari panjang jaringan, jenis
kabel, spesifikasi trafo, beban, pf (faktor daya),
dll). Selanjutnya dijalankan proses Load Flow
Analysis pada ETAP. Hasil dari Load Flow
Analysis inilah yang akan menjadi dasar dalam
melakukan penentuan lokasi, ukuran, dan
jumlah unit kapasitor yang akan digunakan.
Berdasarkan hasil load flow yang diperoleh,
diisikan data kapasitor yang digunakan dan akan
dianalisis kembali dengan menggunakan ETAP
Power Station. Dengan menjalankan program
Load Flow Analysis akan didapatkan load flow
jaringan (setelah pemasangan kapasitor bank)
-64-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
Tabel 4.2 Data Power Faktor dan Rugi-rugi
mulai dari aliran daya, rugi-rugi, drop tegangan,
dan lain sebagainya.
MW Mvar MVA % PF
Hasil load flow ini (setelah pemasangan
kapasitor bank) akan dibandingkan dengan load
flow profile sebelum pemasangan kapasitor bank
dan akan dikaji berdasarkan kebijakan
kelayakan operasi dan kebijakan kelayakan
finansial. Apabila sudah memenuhi maka dapat
dikatakan bahwa penggunaan kapasitor bank
dalam hal perbaikan kualitas tegangan, faktor
daya, dan juga mengatasi rugi-rugi jaringan
layak untuk dilakukan.
Tabel 1. Sampling tegangan jaringan yang
paling buruk
Actual
(%)
1
Bus177
20,000
17,6252
88,126
2
Bus179
20,000
17,6273
88,136
3
Bus176
20,000
17,6281
88,141
4
Bus174
20,000
17,6315
88,158
5
Bus173
20,000
17,6318
88,159
6
Bus171
20,000
17,6359
88,179
7
Bus169
20,000
17,6466
88,233
8
Bus188
20,000
17,6467
88,233
9
Bus186
20,000
17,6469
88,234
10
Bus168
20,000
17,6471
88,236
T.Motor Load:
2,282 1,414 2,684 85,00
T.Static Load:
0,758 0,469 0,891 85,00
Besar
jaringan :
Qc
=
=
=
Tegangan
kV
3,322 2,479 4,145 80,14
Cos θ 2 =
θ2
=
Q2
=
=
=
=
=
Pada Tabel 1 ditunjukkan 10 lokasi/ bus
pada jaringan srikandi yang memiliki tegangan
TM terburuk sebelum dilakukannya pemasangan
kapasitor bank.
nominal
(kV)
T.Demand:
0,283 0,596
Untuk memperbaiki faktor daya jaringan
menjadi 0,9 maka dibutuhkan kapasitas
kapasitor bank dengan perhitungan sebagai
berikut:
4.1 Data Aliran Daya Feeder Srikandi Sebelum
Pemasangan Kapasitor Bank
bus
3,322 2,479 4,145 80,14
Rugi-rugi:
4. Hasil dan Pembahasan
no
Source :
0,9
Cos-1 0,9
P x Tan θ 2
3,322 Tan (Cos-1 0,9)
3,322 Tan 28,842o
3,322 x 0,484
1,608 Mvar
kapasitor yang harus dipasang pada
Q1 – Q2
(2,479 - 1,608) Mvar
0,871 Mvar atau 871 kvar
Jadi untuk perbaikan dari pf 0,8 ke 0,9
dibutuhkan 871 kvar. Untuk itu, kapasitor yang
digunakan adalah kapasitor dengan kapasitas
total 900 kvar.
4.2 Analisa Teknis
Untuk mengetahui efektifitas penggunaan
kapasitor bank, dilakukan analisa teknis
terhadap hasil simulasi yang dilakukan pada
feeder srikandi. Analisa teknis dilakukan dengan
menggunakan dua metode utama yaitu metode
jarak dan metode aliran daya reaktif. Pada
masing-masing metode tersebut dijalankan 6
buah skenario dengan variasi jumlah dan lokasi
kapasitor bank yang dipasang. Sehingga
diperoleh 12 variasi data hasil simulasi yang
akan dikaji untuk mendapatkan metode dan
skenario terbaik dalam hal teknis dan finansial.
Dengan demikian diharapkan pemasangan
kapasitor
bank
pada
feeder
srikandi
menghasilkan perbaikan paling optimal disisi
teknis dan memenuhi kajian kelayakan finansial.
Dari data terlihat bahwa tegangan JTM yang
terukur berada dibawah standar tegangan yang
dikeluarkan perusahaan listrik negara (PLN),
yaitu dibawah 10 % dari tegangan nominalnya.
Dari analisa yang dilakukan melalui ETAP
maka diperoleh data faktor daya dan rugi-rugi
jaringan sebelum pemasangan kapasitor bank
yang tertera pada Tabel 2.
-65-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
Representasi dari keenam skenario dengan
menggunakan metode aliran daya reaktif dapat
dilihat pada Tabel 4.
a. Metode Jarak [4]
Berdasarkan metode jarak maka lokasi
terbaik untuk menempatkan 1 unit kapasitor
yaitu pada jarak 2/3 dari panjang total feeder
utama. Generalisasi dari metode jarak ini untuk
n jumlah kapasitor yaitu, jarak untuk tiap
kapasitor harus sama
dimulai dari jarak
2/(2n+1) dari total panjang jaringan dari gardu
sampai
ke
ujung
saluran.
Kemudian
menambahkan unit kapasitor selebihnya pada
interval 2/(2n+1) dari total panjang saluran.
Representasi dari keenam skenario dengan
menggunakan metode jarak dapat dilihat pada
Tabel 3.
Tabel 4 Profil perbaikan teg. dan rugi-rugi ratarata tiap skenario (metode aliran daya reaktif)
rugi-rugi jaringan total
(KW)
Tegangan
no
perbaikan tegangan
rata-rata
Tiap
rata-rata
skenario
tiap
total (KW)
rata-rata
(KW)
skenario
total (kV)
(kV)
1
18,150
228,8
2
18,189
228,4
Tabel 3 Profil perbaikan tegangan dan rugirugi rata-rata tiap skenario (metode jarak)
3
18,190
rugi-rugi jaringan total
(KW)
4
18,184
228,3
perbaikan tegangan
rata-rata
Tiap
rata-rata
skenario
tiap
total (KW)
rata-rata
(KW)
skenario
total (kV)
(kV)
5
18,186
228,3
6
18,188
228,3
Tegangan
no
1
18,073
230,6
2
18,053
234,4
3
18,006
235,5
4
18,026
237,3
5
18,022
236,8
6
18,030
235,8
228,4
4.3 Analisa Finansial
Analisis kelayakan finansial ini ditujukan
untuk mendapatkan skenario terbaik dari
keenam variasi skenario yang terdapat pada
metode aliran daya reaktif. Secara khusus
subbab ini akan menggunakan pendekatan
ekonomi atau finansial dalam mencari skenario
yang menghasilkan parameter finansial yang
paling menguntungkan. Dalam hal ini parameter
finansial yang digunakan adalah IRR (Internal
Rate of Return) dan BCR (Benefit to Cost
Ratio). Hasil analisis terhadap parameter BCR
dan IRR dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Nilai IRR dan BCR tiap Skenario
no
IRR(%)
BCR
S. 1
52,2%
4,74
S. 2
49,6%
4,50
S. 3
44,2%
4,02
S. 4
36,4%
3,30
S. 5
38,1%
3,46
S. 6
24,4%
2,22
238,1
18,035
228,3
18,181
b. Metode Aliran Daya Reaktif [5]
Berdasarkan metode aliran daya reaktif maka
lokasi terbaik untuk menempatkan kapasitor
yaitu dengan menempatkan kapasitor pada titik
dimana daya reaktif yang mengalir sama dengan
setengah dari kapasitas kapasitor yang
digunakan.
Untuk penggunaan kapasitor lebih dari 1 unit
maka setelah penempatan kapasitor bank yang
pertama, lakukan load flow analysis untuk
mengetahui profil aliran daya jaringan. Setelah
melakukan pembacaan terhadap load profile
yang baru, tempatkan kapasitor bank kedua pada
titik dimana daya reaktif yang mengalir sama
dengan setengah kapasitas kapasitor tersebut,
dan begitu selanjutnya untuk jumlah unit
kapasitor lainnya.
4.3 Scoring System
Dari analisa teknis yang dilakukan tampak
bahwa metode aliran daya reaktif lebih efektif
daripada metode jarak. Selanjutnya akan
dilakukan perbandingan pada keenam skenario
yang menggunakan metode aliran daya reakif
dalam metode pemasangan kapasitor bank pada
feeder srikandi dengan metode scoring.
-66-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
Scoring terhadap parameter tegangan, rugirugi, IRR, dan BCR ditunjukkan masing-masing
pada Tabel 6, Tabel 7, Tabel 8 dan Tabel 9.
5. Kesimpulan
1. Penggunaan kapasitor bank di jaringan
tegangan menengah mampu meningkatkan
level tegangan pada ujung-ujung jaringan
hingga mencapai range standar PLN yaitu
pada -10% dan +5% dari tegangan nominal.
Selain itu, diperoleh juga penurunan nilai
rugi-rugi daya listrik sebesar 19,33%.
Tabel 6. Scoring parameter tegangan
no
interval
score
1
18,100 – 18,119
1
2
18,121 – 18,139
2
3
18,141 – 18,159
3
4
18,160 – 18,179
4
5
18,180 – 18,199
5
2. Dalam
melakukan
pemasangannya
kapasitor bank perlu memperhatikan
karakteristik dan persebaran beban pada
jaringan tersebut sehingga diperoleh
metode yang sesuai.
Tabel 7. Scoring parameter rugi-rugi
no
interval
score
1
228,01 – 228,20
5
2
228,21 – 228,40
4
3
228,41 – 228,60
3
4
228,61 – 228,80
2
5
228,81 – 229,00
1
no
1
2
3
4
5
Tabel 8. Scoring parameter IRR
interval
score
20,0 – 26,0
1
27,0 – 33,0
2
34,0 – 40,0
3
41,0 – 47,0
4
5
48,0 – 54,0
no
1
2
3
4
5
Tabel 9. Scoring parameter BCR
interval
score
2,10 – 2,60
1
2,70 – 3,20
2
3,30 – 3,80
3
3,90 – 4,40
4
4,50 – 5,00
5
3. Dari dua metode penempatan kapasitor
bank yaitu metode aliran daya reaktif dan
metode jarak terlihat bahwa metode aliran
daya reaktif lebih sesuai digunakan dalam
menentukan lokasi penempatan kapasitor
bank di feeder Srikandi yang memiliki
distribusi beban tidak merata
4. Berdasarkan kajian kelayakan teknikal dan
finansial didapatkan bahwa penggunaan
kapasitor yang optimal adalah dengan
skenario 2.
6. Daftar Pustaka
[1] Dugan, Roger C. Electrical Power System
Quality. New York : The McGraw-Hill
Companies, Inc ; 1996.
[2] T.A Short. Electric Power Distribution
Hand Book. USA : CRC Press LLC ; 2004.
[3] Gonen, Turan. Electric Power Distribution
System Engineering”. New York : Mc
Grawhill ; 1986.
[4] Neagle, N. M. and Samson, D. R. Loss
Reduction from Capacitors Installed on
Primary Feeders. AIEE Transactions, vol.
75, pp. 950–9, Part III, October 1956.
[5] Grainger, J. J. and Lee, S. H. Optimum Size
and Location of Shunt Capacitors for
Reduction of Losses on Distribution
Feeders. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems , vol. PAS-100, no. 3,
pp. 1005–18, March 1981.
Berikut ini ditampilkan scoring terhadap tiap
skenario dengan parameter teknis dan finansial
pada Tabel 10.
Tabel 10. Scoring terhadap tiap skenario dengan
parameter teknis dan finansial
-67-
copyright @ DTE FT USU