analisa harmonisa sistem kelistrikan pabrik peleburan...
TRANSCRIPT
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
Analisa Harmonisa Sistem Kelistrikan Pabrik Peleburan Baja PT. Ispat Indo Surabaya
Akibat Perubahan Konfigurasi dan Pergantian Trafo Utama
Gema Ramadhan
2206100147
Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111
Abstrak : Electrical arc furnace yang merupakan peralatan produksi utama dalam peleburan baja juga merupakan sumber
harmonisa yang dapat berpengaruh terhadap kelangsungan proses produksi. Pada pembahasan ini, akan dibahas sejauh mana
pengaruh harmonisa yang diakibatkan oleh Electrical arc furnace terhadap konsumsi energi akibat perubahan konfigurasi dan
pergantian trafo utama pada TR5 dari 80 MVA menjadi 100 MVA. Untuk memperkecil dampaknya terhadap sistem, maka akan
dilakukan simulasi dan analisis harmonisa serta perancangan filter harmonisa untuk mereduksi harmonisa yang terkandung dalam
sistem kelistrikan di pabrik tersebut dengan menggunakan ETAP (Electrical Transient Analysis Program).
Keywords: Electrical arc furnace, harmonisa, filter
I. PENDAHULUAN PT. Ispat Indo adalah sebuah pabrik peleburan baja
terbesar di Jawa Timur dengan hasil produksi berupa billet
dan wire rod sebagai produk akhir. Perusahaan ini terletak di
Desa Kedungturi, Taman Sepanjang Sidoarjo. Peralatan
produksi utama dalam peleburan baja di pabrik ini yakni
electrical arc furnace menggunakan energi listrik yang
sangat besar dalam proses produksinyadan menimbulkan
permasalahan pada sistem kelistrikannya. Peralatan ini
menyebabkan arus fundamental tidak berbentuk sinusoidal
lagi. Fenomena ini yang sering disebut dengan harmonisa. Harmonisa merupakan suatu gejala yang terjadi akibat
dioperasikannya beban listrik non linier yang menghasilkan
gelombang dengan frekuensi-frekuensi tinggi (merupakan
kelipatan dari frekuensi fundamentalnya). Dalam upaya
memperoleh efisiensi pengoperasian dan pemanfaatan
sistem tenaga listrik, maka pengaruh harmonisa harus
diperhitungkan. Oleh karena itu, sebagai tindakan preventif,
usaha untuk menganalisis pengaruh harmonisa sangat
diperlukan demi kelangsungan proses produksi pabrik
tersebut. Salah satu usaha untuk mengatasi permasalahan
harmonisa adalah dengan merencanakan suatu fiter
harmonisa. Filter harmonisa selain dapat mereduksi distorsi
harmonisa juga dapat berfungsi sebagai kompensator reaktif.
Tujuan yang hendak dicapai adalah Mengetahui dan
menganalisa nilai distorsi harmonisa yang terdapat pada PT.
Ispat Indo akibat perubahan konfigurasi dan pergantian trafo
utama, mensimulasikan dan mengevaluasi kerja sistem
sebelum dan sesudah perubahan konfigurasi dan pergantian
trafo utama, mengevaluasi passive filter existing yang
terpasang di sistem kelistrikan di PT. Ispat Indo, dan
perancangan filter pasif tipe single tuned untuk mereduksi
distorsi harmonisa. Hasil yang diperoleh diharapkan mampu
memberikan solusi dan manfaat terkait permasalahan
kualitas daya akibat pengaruh harmonisa dalam dunia
industri.
II. DASAR TEORI 2.1 Harmonisa pada Sistem Tenaga Listrik
Dalam sistem Tenaga listrik yang ideal, bentuk
gelombang tegangan yang disalurkan ke peralatan konsumen
dan bentuk gelombang arus yang dihasilkan adalah
gelombang sinus murni, yang mana dalam frekuensi tunggal
yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula.
Namun dalam perkembangan beban listrik yang semakin
besar dan kompleks, terutama penggunaan beban-beban tak
linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk
gelombangnya. Sehingga menyebabkan terdistorsinya
gelombang arus maupun tegangan dan bentuknya menjadi
cacat. Cacat gelombang ( gelombang non sinusoidal ) yang
disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinus
sistem dengan komponen gelombang lain lebih dikenal
dengan harmonisa, yaitu komponen gelombang lain yang
mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen
fundamentalnya seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Bentuk Gelombang Harmonisa Hasil dari Penjumlahan
Gelombang Fundamental dengan Gelombang Harmonisa ke 3
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
2.2 Sumber Harmonisa pada Sistem Distribusi PT.
Ispat Indo
Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban
yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier adalah
beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang
linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan
impedensi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban non
linier adalah bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding
dengan tegangan dalam setiap setengan siklus sehingga
bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak
sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi).
Beban non linier yang umumnya merupakan peralatan
elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semi
konduktor, dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar
yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber
tegangan. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan atau
distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Sumber-
sumber harmonisa tersebut dapat berasal dari pemakaian
beban-beban tak linier seperti tanur busur listrik, konverter,
pengontrol kecepatan motor, dll.
Pada pabrik ini terdapat beberapa sumber harmonisa,
antara lain electrical arc furnace, ladle refining furnace, dan
beberapa charger. Sumber harmonisa paling besar berasal
dari electrical arc furnace, yakni tanur busur listrik yang
berfungsi untuk melebur baja. Berikut adalah data sumber
harmonisa electrical arc furnace yang berasal dari paper
pada saat voltage distorsion arc furnace berada pada kondisi
typical dan worst case.
Tabel 1 Data typical dan worst case harmonisa tegangan pada beban arc
furnace
2.3 Standar dalam Distorsi Harmonisa
Dalam pengaruhnya terhadap sistem kelistrikan,
digunakan Total Harmonic Distortion (THD) yakni
merupakan parameter harmonisa yang didefinisikan sebagai
persentase total komponen harmonisa terhadap komponen
fundamentalnya . Secara umum digunakan THD harmonisa
dapat dituliskan sebagai berikut :
%1001
2
1
2x
U
U
THD
k
n
Dimana :
Un = komponen harmonisa
U1 = komponen fundamental
k = komponen harmonisa maksimum yang diamati
Tabel 2 Limit Distorsi Harmonisa Arus Sesuai standar IEEE 519-
1992
Tabel 3 Limit Distorsi Tegangan Harmonisa Arus Sesuai standar
IEEE 519-1992
Bus Voltage at PCC Individual Voltage
Distortion (%)
THD
(%)
69 kV and below 3,0 5,0
69,001 kV through 161 kV 1,5 2,5
161,001 kV and above 1,0 1,5
2.4 Filter Harmonisa
Tujuan penggunaan filter harmonisa yakni untuk
mereduksi amplitudo frekuensi tertentu dari sebuah distorsi
tegangan atau distorsi arus. Dengan penambahan filter
harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang
mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran
arus harmonisa ke seluruh jaringan dapat ditekan sekecil
mungkin.
Perencanaan Filter Single Tuned
Filter dengan penalaan tunggal ditala pada salah satu
orde harmonisa (biasanya pada orde harmonisa rendah).
Filter ini terdiri dari rangkaian seri kapasitor, reaktor dan
resistor (RLC).
Impedansi dari rangkaian gambar 2(a) dinyatakan dalam
persamaan :
CLjRwZ
1
Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang
rendah pada frekuensi resonansinya. Sebuah shunt filter
dikatakan ditala pada sebuah frekuensi, jika pada frekuensi
tersebut reaktansi induktif dan kapasitifnya sama dengan
nol. Kualitas sebuah filter (Q) ditentukan dari ketajaman
pada penalaannya. Filter dengan Q yang tinggi ditala secara
tajam pada satu frekuensi harmonisa yang rendah
(contohnya ke-5) dan nilai yang umum diantara 30 dan 60.
Filter dengan Q yang rendah biasanya dalam batas 0,5
sampai 5 memiliki impedansi yang rendah pada jangkauan
frekuensi yang lebar. Faktor kualitas (Q) filter didefinisikan
sebagai perbandingan antara induktansi (atau kapasitansi)
pada saat resonansi dengan besarnya resistansi.
Harmonic Orde Typical Worst Case
2 5 17
3 20 29
4 3 7.5
5 10 10
6 1.5 3.5
7 6 8
8 1 2.5
9 3 5
Maximum Harmonic Current Distortion in Percent of IL
ISC/IL
Individual Harmonic Order (Odd Harmonic)
h<11 11h17 17h23 23h35 35h THD
< 20* 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5
20 – 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8
50 – 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12
100 -
1000
12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15
> 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20
Even harmonic are limited to 25% of the odd harmonic above.
Current distortion that result in a dc, e.g. half-wave converters, are not
allowed. *All power generation equipment is limited to these values of current
distortion regardless of the actual ISC/IL.
Where :
ISC = maximum short circuit at PCC
IL = maximum demand load current (fundamental frequency
component) at PCC
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
R
XQ 0
dengan XL = XC = X0 pada keadaan resonansi.
Gambar 2 Rangkaian filter penalaan tunggal (a) dan
Grafik Impedansi filter terhadap frekuensi (b)
III. SISTEM KELISTRIKAN
PT. ISPAT INDO Pabrik peleburan baja PT. Ispat Indo mendapat
pasokan daya yang berasal dari PLN dengan kapasitas daya
terpasang dari PLN adalah 99 MVA dan dengan tegangan
150 kV. Tegangan 150 kV tersebut diturunkan dengan dua
buah transformator daya dengan kapasitas 150/150/16 MVA
( 3 winding transformer ) dan 60 MVA ( 2 winding
transformer ). Untuk transformator 150/150/16 MVA
menurunkan tegangan dari 150/33/11 kV, kemudian
didistribusikan ke beban-beban utama seperti electrical arc
furnace dan ladle refining furnace (LRF). sedangkan
transformator 60 MVA menurunkan tegangan dari 150/70
kV kemudian didistribusikan ke beban-beban seperti rolling
mill, motor-motor, dsb.
IV. HARMONISA DAN PERANCANGAN
FILTER PASIF 4.1 Simulasi pada Kondisi Eksisting
Pada kondisi eksisting digunakan trafo dengan rating
80 MVA pada trafo TR5. Berikut analisa aliran daya pada
kondisi eksisting. Tabel 4 Hasil simulasi aliran daya kondisi eksisting
Bus ID kV MW Mvar MVA PF(%)
Main Bus PLN 150 98.98 7.684 99.278 99.7
ABB Panel 32.954 65.088 9.147 64.84 99
Near Furnace 32.956 53.76 33.317 63.247 85
Yard 69.612 29.65 2.66 29.769 99.6
Merlin Gerin I 10.851 21.916 7.585 23.192 94.5
Schneider 10.983 7.685 6.675 10.179 75.5
Merlin Gerin II 10.852 14.202 4.964 15.044 94.4
Line A bawah 10.852 3.801 2.554 4.579 83
Crompton P. 10.984 4.572 2.989 5.462 83.7
Siemens P. 10.984 1.293 0.842 1.543 83.8
Kirloskar P. 10.85 7.713 5.123 9.259 83.3
Voltas P. II 10.85 6.828 7.005 9.782 69.8
Bus Furnace 0.7 54.596 28.722 61.69 88.5
Bus LRF 0.268 5.037 3.122 5.926 85
Dari hasil simulasi aliran daya yang dilakukan pada pola
operasi kondisi eksisting, total pembebanan sistem, yakni
sebesar 99.278 MVA dengan nilai faktor daya sebesar 99.74
%. Dari hasil running simulasi harmonisa dengan ETAP
diperoleh tingkat distorsi harmonisa tegangan dan arus pada
kondisi eksisting seperti terlihat pada tabel 5 dan tabel 6.
Tabel 5 Hasil simulasi harmonisa tegangan kondisi eksisting
Bus ID
Rated kV
Fund (%)
RMS (%)
THD (%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Main bus PLN 150 100 100.05 3.2 2.5
ABB Panel 33 99.87 99.92 3.33 5
Near Furnace 33 99.87 99.92 3.33 5
Yard 70 99.44 99.50 3.39 2.5
Merlin Gerin I 11 98.65 98.84 6.19 5
Schneider 11 99.85 99.93 4.05 5
Merlin Gerin II 11 98.65 98.84 6.19 5
Line A bawah 11 98.65 98.84 6.19 5
Crompton P. 11 99.85 99.93 4.05 5
Siemens P. 11 99.85 99.93 4.05 5
Kirloskar P. 11 98.65 98.84 6.19 5
Voltas P. II 11 98.65 98.84 6.19 5
Bus Furnace 0.69 100.52 103.06 22.59 5
Bus LRF 0.27 99.38 99.38 13.16 5
Tabel 6 Hasil simulasi harmonisa arus kondisi eksisting
Bus ID
Isc (kA)
IL(A)
Isc / IL
THD
(%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Main bus PLN 13.345 382.1 34.92 0 8
ABB Panel 58.473 1150.6 50.81 0 12
Near Furnace 58.473 1117.6 52.32 0 12
Yard 4.384 246.9 17.75 11.53 5
Merlin Gerin I 12.215 1233.9 9.89 13.48 5
Schneider 13.668 535.1 25.54 11.60 8
Merlin Gerin II 12.215 800.4 15.26 11.84 5
Line A bawah 12.215 243.6 50.14 2.55 12
Crompton P. 13.668 287.1 47.60 3.33 8
Siemens P. 13.668 81.1 168.53 31.05 15
Kirloskar P. 12.215 492.7 24.79 1.79 8
Voltas P. II 12.215 520.5 23.46 22.91 8
Bus Furnace 513.558 50907 10.08 94.06 5
Bus LRF 239.295 12750 18.76 73.17 5
Dari hasil running harmonic analysis seperti pada tabel
5 dan tabel 6 diperoleh nilai-nilai THD tegangan dan arus
dari setiap bus yang telah di plot. Nilai THD tegangan dan
arus pada beberapa bus masih dibawah atau tidak melebihi
nilai standar. Nilai-nilai THD yang melebihi standar ditandai
dengan angka yang berwarna merah. Nilai-nilai THD yang
melebihi standar pada bus-bus tersebut disebabkan oleh
beroperasinya beban arc furnace, yang mana menghasilkan
nilai distorsi harmonisa yang tinggi.
4.2 Simulasi pada Kondisi Setelah Pergantian Trafo
Pada kondisi ini, akan dibahas hasil simulasi aliran daya
dan analisa harmonisa pada sistem dengan menggunakan
sebesar 100 MVA pada trafo TR5.
C
L
R
|Z|
R
1 2
R2
PB
f /
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
Gambar 3 Sistem Kelistrikan PT. Ispat Indo
Pergantian trafo yang sebelumnya berkapasitas 80
MVA menjadi 100 MVA ini dimaksudkan agar pabrik dapat
memaksimalkan kerja electrical arc furnace, yang mana
sebelumnya hanya bekerja 75 % atau sekitar 60 MVA dari
kapasitas total daya yang dimiliki electrical arc furnace.
Dengan begitu hasil produksi dari pabrik dapat ditingkatkan.
Tabel 7 Hasil simulasi aliran daya kondisi sistem setelah pergantian trafo
Bus ID kV MW Mvar MVA PF(%)
Main Bus PLN 150 98.457 7.644 98.753 99.7
ABB Panel 32.96 63.63 9.517 64.338 98.9
Near Furnace 32.96 53.228 33.546 62.917 84.6
Yard 69.612 29.65 2.66 29.769 99.6
Merlin Gerin I 10.851 21.916 7.585 23.192 94.5
Schneider 10.983 7.685 6.675 10.179 75.5
Merlin Gerin II 10.852 14.202 4.964 15.044 94.4
Line A bawah 10.852 3.801 2.554 4.579 83
Crompton P. 10.984 4.572 2.989 5.462 83.7
Siemens P. 10.984 1.293 0.842 1.543 83.8
Kirloskar P. 10.85 7.713 5.123 9.259 83.3
Voltas P. II 10.85 6.828 7.005 9.782 69.8
Bus Furnace 0.69 53.098 27.935 59.998 88.5
Bus LRF 0.268 5.037 3.122 5.926 85
Hasil running aliran daya pada kondisi setelah
pergantian trafo dapat dilihat pada tabel 7. Total
pembebanan sistem pada Main bus PLN 98.753 MVA
dengan faktor daya 99.74 %. Rugi-rugi daya pada jaringan
sebesar 0.511 MW dan 10.570 Mvar. Dari hasil running
simulasi harmonisa dengan ETAP diperoleh tingkat distorsi
harmonisa tegangan dan arus pada kondisi eksisting seperti
terlihat pada tabel 8 dan tabel 9.
Tabel 8 Hasil simulasi harmonisa tegangan kondisi sistem setelah
pergantian trafo
Bus ID
Rated kV
Fund (%)
RMS (%)
THD (%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Main bus PLN 150 100 100.04 2.89 2.5
ABB Panel 33 99.87 99.92 3 5
Near Furnace 33 99.87 99.92 3 5
Yard 70 99.44 99.49 3.06 2.5
Merlin Gerin I 11 98.65 98.80 5.58 5
Schneider 11 99.85 99.91 3.65 5
Merlin Gerin II 11 98.65 98.80 5.58 5
Line A bawah 11 98.65 98.80 5.58 5
Crompton P. 11 99.85 99.91 3.65 5
Siemens P. 11 99.85 99.91 3.65 5
Kirloskar P. 11 98.65 98.80 5.58 5
Voltas P. II 11 98.65 98.80 5.58 5
Bus Furnace 0.7 101.40 102.54 22.71 5
Bus LRF 0.27 99.38 100.24 13.16 5
Tabel 9 Hasil simulasi harmonisa arus kondisi sistem setelah pergantian
trafo
Bus ID
Isc (kA)
IL(A)
Isc / IL
THD
(%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Main bus PLN 13.345 380.1 35.10 0 8
ABB Panel 58.473 1127.1 51.87 0 12
Near Furnace 58.473 1088.6 53.71 0 12
Yard 4.384 246.9 17.75 10.39 5
Merlin Gerin I 12.215 1233.9 9.89 12.14 5
Schneider 13.668 535.1 25.54 10.46 8
Merlin Gerin II 12.215 800.4 15.26 10.75 5
Line A bawah 12.215 243.6 50.14 2.55 12
Crompton P. 13.668 287.1 47.60 3.01 8
Siemens P. 13.668 81.1 168.53 28.06 15
Kirloskar P. 12.215 492.7 24.79 1.07 8
Voltas P. II 12.215 520.5 23.46 20.73 8
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
Bus ID
Isc (kA)
IL(A)
Isc / IL
THD
(%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Bus Furnace 616.589 50203 12.28 85.72 5
Bus LRF 239.295 12750 18.76 71.83 5
Sama seperti kasus sebelumnya, THD yang tinggi ini
diakibatkan beroperasinya beban electrical arc furnace.
Sebagai salah satu arcing devices pada sistem kelistrikan,
electrical arc furnace memang terkenal sebagai beban yang
menghasilkan distorsi harmonisa yang sangat besar. Hal ini
dikarenakan electrical arc furnace memiliki kapasitas besar
yang disatukan dalam satu tempat. Penurunan nilai VTHD
dan THD arus pada bus-bus yang telah diplot disebabkan
juga oleh pergantian trafo menjadi 100 MVA, karena
semakin besar rating trafo maka nilai Z impedansi pada trafo
tersebut akan semakin besar. Hal ini akan menyebabkan nilai
THD yang akan ditimbulkan juga akan menurun. Karena
semakin besar nilai impedansi pada trafo tersebut akan
menghambat jalan bagi arus harmonisa untuk menyebar.
4.3 Evaluasi Kinerja Pasif Filter Eksisting yang
Terpasang di Sistem Kelistrikan PT. Ispat Indo
Pada kondisi eksisting di sistem kelistrikan PT. Ispat
Indo, terdapat satu pasif filter single tuned 3rd yang
terpasang di bus ABB Panel 33 kV. Sesuai dengan
spesifikasinya, pasif filter ini berfungsi untuk meredam atau
mereduksi distorsi harmonisa yang terjadi pada orde ke 3
atau frekuensi pada frekuensi 150 Hz. Namun pada hasil
simulasi yang telah dilakukan pada kondisi eksisting dengan
kapasitor bank maupun tanpa kapasitor bank, dapat dilihat
dan dicermati tidak terdapat distorsi harmonisa untuk orde ke
3. Orde-orde dominan yang muncul yakni orde 2, 4, 5 dan 7.
Orde dominan tersebut muncul di bus tempat sumber
harmonisa berada, untuk pengaruh terhadap bus lainnya
hanya orde 2 dan orde 4 saja.
Secara keseluruhan pasif filter eksisting pada bus ABB
Panel tersebut hanya membantu meningkatkan nilai faktor
daya pada sistem kelistrikan di PT. Ispat Indo dan tidak
mereduksi distorsi harmonisa yang ada . Oleh karena itu
dibutuhkan pergantian atau re-konfigurasi pasif filter yang
ada dengan pasif filter yang baru, sehingga dapat mereduksi
dengan optimal distorsi harmonisa yang terjadi.
4.4 Perencanaan Filter Harmonisa
Untuk mengurangi distorsi harmonisa yang terjadi
pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo akan direncanakan
filter harmonisa jenis passive filter. Passive filter merupakan
salah satu solusi yang sangat efektif dan banyak digunakan
untuk mereduksi distorsi harmonisa. Untuk sistem yang
memiliki peralatan yang mengandung sumber harmonik,
kompensasi daya reaktif untuk perbaikan faktor daya akan
dipasang bersama sebagai filter harmonik. selain dapat
memperbaiki faktor daya sistem, filter juga berfungsi
mereduksi arus harmonik yang ada di sistem.
Dalam pemasangan filter harmonisa, sebaiknya filter
dipasang dekat dengan sumber arus harmonisa. Hal ini
dilakukan dengan harapan filter dapat menyerap arus
harmonisa yang berasal dari sumber harmonisa dengan baik.
Pada perencanaan filter kali ini, nilai kvar kapasitor bank
eksisting yakni sebesar 24 Mvar akan digunakan untuk
merancang filter dan kapasitor bank tersebut direncanakan
akan di off-kan. Filter yang akan dirancang adalah single-
tuned orde 2 dan single-tuned orde 4.
Pada frekuensi penalaan yang telah ditetapkan,
perancangan filter pasif jenis single tuned ini merupakan
kombinasi filter pasif yang lebih baik bila dibandingkan
dengan kombinasi lainnya, sehingga menjadi jalan bagi arus-
arus harmonisa pada frekuensi diatas frekuensi penalaan
yang ada dijaringan dan akan memperbaiki plot impedansi
jaringan.
Perhitungan Filter Single Tuned
Single-tuned 2nd 20000 kvar dan single-tuned 4th
4000 kvar direncanakan akan dipasang di bus ABB Panel.
Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat
dihitung sebagai berikut :
1. Single Tuned Orde Dua
Kapasitor
𝐼𝐿 = 𝑄𝑐
3 𝑉𝐿𝐿=
20000
3 × 33 = 349.90 𝐴
𝐼𝐶 = 𝐼𝐿
𝑋𝐶 = 𝑉𝐿−𝑁𝐼𝐶
= 33.000
3 × 349.90= 54.45 Ω
𝐶 = 1
𝜔0𝑋𝐶=
1
2 × 3.14 × 50 × 54.45= 58.45 µ𝐹
Induktor
Pada frekuensi resonansi 𝑋0 = 𝑋𝐿 = 𝑋𝐶 , maka frekuensi
resonansi f = 100 Hz , n = 2
𝑋0 = 𝜔𝑛𝐿 = 1
𝜔𝑛𝐶=
𝐿
𝐶
𝐿 = 1
(𝜔𝑛)2𝐶=
1
(2 × 3.14 × 100)2 × 58.45 × 10−6
= 43.33 𝜇𝐻
𝑋𝐿 = 𝜔 𝐿 = 2 × 3.14 × 50 × 43.33 × 10−6 = 13.61 Ω
Resistor
Faktor kualitas filter (Q), untuk filter single tuned berkisar
dipilih nilai Q antara 30-60.semakin besar nilai Q semakin
tajam grafik impedansi filter atau semakin rendah nilai
impedansi filter pada frekuensi resonansi. Pada perencanaan
filter ini akan dipilih nilai Q = 40.
𝑅 = 𝑋𝐿 .𝑛
𝑄=
13.61 × 2
40= 0.6805 Ω
Spesifikasi Single-tuned orde 2 yang akan dipasang pada
bus ABB Panel :
Kapasitor : 58.45 𝜇𝐹
Induktansi : 43.33 𝑚𝐻
Resistansi : 0.6805 Ω
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
2. Single Tuned Orde Empat
Kapasitor
𝐼𝐿 = 𝑄𝑐
3 𝑉𝐿𝐿=
4000
3 × 33 = 69.98 𝐴
𝐼𝐶 = 𝐼𝐿
𝑋𝐶 = 𝑉𝐿−𝑁𝐼𝐶
= 33.000
3 × 69.98= 272.257 Ω
𝐶 = 1
𝜔0𝑋𝐶=
1
2 × 3.14 × 50 × 272.257= 11.69 µ𝐹
Induktor
Pada frekuensi resonansi 𝑋0 = 𝑋𝐿 = 𝑋𝐶 , maka
frekuensiresonansi f = 200 Hz , n = 4
𝑋0 = 𝜔𝑛𝐿 = 1
𝜔𝑛𝐶=
𝐿
𝐶
𝐿 = 1
(𝜔𝑛)2𝐶=
1
(2 × 3.14 × 200)2 × 11.69 × 10−6
= 54.16 𝜇𝐻
𝑋𝐿 = 𝜔 𝐿 = 2 × 3.14 × 50 × 54.16 × 10−6 = 17.02 Ω
Resistor
𝑅 = 𝑋𝐿 .𝑛
𝑄=
17.02 × 4
40= 1.702 Ω
Spesifikasi Single-tuned orde 4 yang akan dipasang pada
bus ABB Panel :
Kapasitor : 11.69 𝜇𝐹
Induktansi : 54.16 𝑚𝐻
Resistansi : 1.702 Ω
4.5 Simulasi Kondisi Eksisting Setelah Pemasangan
Filter
Hasil simulasi aliran daya pada beberapa bus setelah
pemasangan single-tuned orde 2 dan single-tuned orde 4 di
bus ABB Panel dapat dilihat pada Tabel 4.10. Dari hasil
simulasi aliran daya dapat dilihat faktor daya pada Main bus
PLN bernilai 99.5 %, dengan rugi-rugi pada jaringan sebesar
0.473 MW dan 10.029 Mvar.
Tabel 10 Hasil simulasi aliran daya kondisi eksisting setelah pemasangan
filter
Bus ID kV MW Mvar MVA PF(%)
Main Bus PLN 150 88.888 8.922 89.335 99.5
ABB Panel 32.972 54.106 33.248 63.505 85.2
Near Furnace 32.972 53.781 33.331 63.272 85
Yard 69.612 29.65 2.66 29.769 99.6
Merlin Gerin I 10.851 21.916 7.585 23.192 94.5
Schneider 10.983 7.685 6.675 10.179 75.5
Merlin Gerin II 10.852 14.202 4.964 15.044 94.4
Line A bawah 10.852 3.801 2.554 4.579 83
Crompton P. 10.984 4.572 2.989 5.462 83.7
Siemens P. 10.984 1.293 0.842 1.543 83.8
Kirloskar P. 10.85 7.713 5.123 9.259 83.3
Voltas P. II 10.85 6.828 7.005 9.782 69.8
Bus Furnace 0.694 53.679 28.24 60.654 88.5
Bus LRF 0.268 5.038 3.122 5.927 85
Tabel 11 Hasil simulasi harmonisa tegangan kondisi eksisting setelah
pemasangan filter
Bus ID
Rated kV
Fund (%)
RMS (%)
THD (%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Main bus PLN 150 100 100.02 2.07 2.5
ABB Panel 33 99.89 99.91 2.15 5
Near Furnace 33 99.89 99.91 2.15 5
Yard 70 99.44 99.46 1.78 2.5
Merlin Gerin I 11 98.65 98.70 3.26 5
Schneider 11 99.85 99.87 2.34 5
Merlin Gerin II 11 98.65 98.70 3.26 5
Line A bawah 11 98.65 98.70 3.26 5
Crompton P. 11 99.85 99.87 2.34 5
Siemens P. 11 99.85 99.87 2.34 5
Kirloskar P. 11 98.65 98.70 3.26 5
Voltas P. II 11 98.65 98.70 3.26 5
Bus Furnace 0.69 101.42 103.08 22.58 5
Bus LRF 0.27 99.39 100.24 13.16 5
Tabel 12 Hasil simulasi harmonisa arus kondisi eksisting setelah
pemasangan filter
Bus ID
Fund (A)
RMS (A)
THD (%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Main bus PLN 948.18 948.18 0 8
ABB Panel 228.97 228.97 0 12
Near Furnace 1108.21 1108.21 0 12
Yard 114.88 115.11 6.29 5
Merlin Gerin I 183.44 183.95 7.43 5
Schneider 64.95 65.17 8.27 8
Merlin Gerin II 766.99 768.57 7.01 5
Line A bawah 243.62 243.70 2.54 8
Crompton P. 287.13 287.19 1.91 8
Siemens P. 81.12 82.28 17 15
Kirloskar P. 492.64 492.69 1.37 8
Voltas P. II 386.64 389.98 13.18 8
Bus Furnace 1108.21 1596.2 103.66 5
Bus LRF 320.81 380.15 63.57 5
Dari hasil simulasi harmonisa, nilai THD tegangan
pada beberapa bus setelah pemasangan filter single-tuned
orde 2 dan single-tuned orde 4 bus di bus ABB Panel dapat
dilihat pada Tabel dapat dilihat pada Tabel 4.11. Dengan
penambahan filter pada bus ABB Panel nilai THD tegangan
sudah tereduksi dengan baik, namun nilai THD tegangan
pada bus Furnace dan bus LRF masih melebihi standar. Hal
ini dikarenakan di dalam kedua bus merupakan sumber
harmonisa yakni electrical arc furnace dan ladle refinnning
furnace. Pada bus tersebut tidak mungkin dilakukan
pemasangan filter karena dikhawatirkan akan mengakibatkan
daya reaktif yang berlebihan, sehingga beban-beban tersebut
tidak dapat beroperasi sebagaimana mestinya.
Hasil analisis untuk THD arus dapat dilihat pada Tabel
4.12. Setelah pemasangan filter pada bus ABB Panel, THD
arus pada beberapa bus nilainya masih berada di atas standar.
Dalam perancangan filter sebelumnya sudah di usahakan
agar nilai THD arus tersebut tereduksi dengan baik, namun
hanya THD tegangan pada beberapa bus saja yang nilai
distorsinya dapat direduksi.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
Berikut adalah spektrum tegangan dan karakteristik
impedansi dari Main Bus PLN setelah dilakukan
pemasangan filter harmonisa.
Gambar 4 Spektrum Harmonisa Tegangan Main Bus PLN Kondisi
Eksisting Setelah Pemasangan Filter
Gambar 5 Karakteristik Impedansi Main Bus PLN Kondisi Eksisting
Setelah Pemasangan Filter
4.6 Simulasi Kondisi Setelah Pergantian Trafo Akibat
Pemasangan Filter Hasil simulasi aliran daya pada beberapa bus setelah
pemasangan filter di bus ABB Panel dapat dilihat pada Tabel
4.13. Dari hasil simulasi aliran daya dapat dilihat faktor daya
pada Main bus PLN bernilai 99.5 %, dengan rugi-rugi pada
jaringan sebesar 0.488 MW dan 10.572 Mvar.
Tabel 13 Hasil simulasi aliran daya kondisi setelah pergantian trafo akibat
pemasangan filter
Bus ID kV MW Mvar MVA PF(%)
Main Bus PLN 150 88.373 8.871 88.817 99.5
ABB Panel 32.948 53.508 33.583 63.174 84.7
Near Furnace 32.976 53.249 33.56 62.942 84.6
Yard 69.612 29.65 2.66 29.769 99.6
Merlin Gerin I 10.851 21.916 7.585 23.192 94.5
Schneider 10.983 7.685 6.675 10.179 75.5
Merlin Gerin II 10.852 14.202 4.964 15.044 94.4
Line A bawah 10.852 3.801 2.554 4.579 83
Crompton P. 10.984 4.572 2.989 5.462 83.7
Siemens P. 10.984 1.293 0.842 1.543 83.8
Kirloskar P. 10.85 7.713 5.123 9.259 83.3
Voltas P. II 10.85 6.828 7.005 9.782 69.8
Bus Furnace 0.69 53.119 27.945 60.021 88.5
Bus LRF 0.268 5.038 3.122 5.927 85
Dari hasil simulasi harmonisa, nilai THD tegangan
pada beberapa bus setelah pemasangan filter dapat kita lihat
pada Tabel 4.14.
Tabel 14 Hasil simulasi harmonisa tegangan kondisi setelah pergantian
trafo akibat pemasangan filter
Bus ID
Rated kV
Fund (%)
RMS (%)
THD (%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Main bus PLN 150 100 100.02 1.86 2.5
ABB Panel 33 99.89 99.91 1.93 5
Near Furnace 33 99.89 99.91 1.93 5
Yard 70 99.44 99.45 1.59 2.5
Merlin Gerin I 11 98.65 98.69 2.92 5
Schneider 11 99.85 99.87 2.1 5
Merlin Gerin II 11 98.65 98.69 2.92 5
Line A bawah 11 98.65 98.69 2.92 5
Crompton P. 11 99.85 99.87 2.1 5
Siemens P. 11 99.85 99.87 2.1 5
Kirloskar P. 11 98.65 98.69 2.92 5
Voltas P. II 11 98.65 98.69 2.92 5
Bus Furnace 0.69 100.02 102.56 22.7 5
Bus LRF 0.27 99.39 100.24 13.16 5
Tabel 15 Hasil simulasi harmonisa arus kondisi setelah pergantian trafo
akibat pemasangan filter
Bus ID
Fund (A)
RMS (A)
THD (%)
Standard
IEEE 519
(1992)
Main bus PLN 938.86 938.86 0 8
ABB Panel 226.98 226.98 0 12
Near Furnace 1102.41 1102.41 0 12
Yard 114.88 115.06 5.63 5
Merlin Gerin I 183.44 183.85 6.65 5
Schneider 64.95 65.13 7.42 8
Merlin Gerin II 766.99 768.57 6.43 5
Line A bawah 243.62 243.70 2.52 8
Crompton P. 287.13 287.18 1.71 8
Siemens P. 81.12 82.05 15.20 15
Kirloskar P. 492.64 492.69 1.34 8
Voltas P. II 386.64 389.40 11.96 8
Bus Furnace 1102.41 1509.52 93.54 5
Bus LRF 320.81 379.95 63.46 5
Dengan penambahan filter pada bus ABB Panel nilai
THD tegangan sudah tereduksi dengan baik, namun nilai
THD tegangan pada bus Furnace dan bus LRF masih
melebihi standar. Hal ini dikarenakan pada kedua bus
tersebut terdapat dua sumber harmonisa. Jika dibandingkan
dengan THD tegangan pada bus-bus yang telah diplot pada
kondisi eksisting setelah pemasangan filter single tuned,
terjadi penurunan nilai THD. Besar penurunan sekitar 0.19%
- A.34%. Penurunan Hal ini terjadi tentu karena pemasangan
filter, di sisi lain pergantian trafo turut berperan serta dalam
penurunan THD.
Dari hasil simulasi, untuk nilai THD arus pada
beberapa bus yang dijadikan fokus perhatian dapat dilihat
pada Tabel 4.15. Nilai THD arus yang terjadi masih melebihi
nilai standar yang diijinkan. Hanya beberapa bus saja yang
nilai THD arusnya dibawah standar. Dalam perancangan
filter sebelumnya sudah di usahakan agar nilai THD arus
tersebut tereduksi dengan baik, namun hanya THD tegangan
pada beberapa bus saja yang nilai distorsinya dapat
direduksi. Kasus ini sama yang terjadi pada kondisi
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS
eksisting dengan pemasangan filter harmonisa. Jika
dibandingkan dengan THD arus pada kondisi eksisting
setelah pemasangan filter, terjadi penurunan nilai THD arus.
Namun penurunan ini tidak signifikan. Hanya berkisar
antara 0.03% - 10.12%. Berikut adalah spektrum tegangan
dan karakteristik impedansi dari Main Bus PLN setelah
dilakukan pemasangan filter harmonisa.
Gambar 6 Spektrum Harmonisa Tegangan Main Bus PLN Kondisi Setelah
Pergantian Trafo Akibat Pemasangan Filter
Gambar 7 Spektrum Harmonisa Tegangan Main Bus PLN Kondisi
Eksisting Setelah Pemasangan Filter
V. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil simulasi dan analisis yang telah dilakukan,
dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Dari data yang telah disimulasikan dan dianalisis bahwa
pereduksian harmonisa pada beberapa bus dengan
melakukan penambahan filter harmonisa single tuned
orde dua dan single tuned orde 4 dapat mereduksi THD
tegangan di seluruh bus pada kondisi eksisting dan
kondisi sistem setelah pergantian trafo. Untuk THD arus
pada kondisi eksisting dan kondisi setelah pergantian
trafo, nilai THD-nya dapat mengalami penurunan
walaupun masih melebihi standar IEE 519 (1992).
2. Semakin besar rating trafo, dapat mengurangi distorsi
harmonisa karena semakin besar nilai Z impedansi pada
trafo maka semakin kecil arus harmonik yang melewati
trafo. Hal ini akan menurunkan tingkat distorsi akibat
arus harmonik tersebut. Oleh karena itu Pergantian trafo
dari 80 MVA menjadi 100 MVA dapat mengurangi
distorsi harmonisa yang terjadi pada sistem kelistrikan
PT. Ispat Indo.
3. Penggunaan Filter untuk mereduksi nilai distorsi
harmonisa pada sistem kelistrikan PT. Ispat Indo
menggunakan filter dengan tipe single tuned orde dua
dan single tuned orde 4. Filter diset pada orde tersebut
karena merupakan orde harmonik dominan yang terjadi.
4. Fenomena resonansi paralel yang sebelumnya terjadi
pada kondisi eksisting telah hilang akibat kenaikan rating
trafo dan penggunaan filter.
Berikut adalah beberapa saran yang perlu dipertimbangkan :
1. Kapasitor bank yang terdapat pada bus Furnace
sebaiknya jangan dipasang sebagai kapasitor bank murni
yang hanya berfungsi meningkatkan faktor daya saja
tetapi dipasang bersama rangkaian induktor dan resistor
sebagai filter harmonisa supaya dapat menjaga
keseimbangan sistem.
2. Perlunya dilakukan rekonfigurasi filter karena filter
eksisting yang ada tidak mampu meredam distorsi
harmonisa yang terjadi.
3. Perlu dipertimbangkan untuk mengganti trafo TR3 dan
trafo TR15, hal ini diakibatkan pada kondisi eksisting
saat dilakukan simulasi load flow kedua trafo tersebut
mengalami overload, sehingga dikhawatirkan akan
mudah terbakar. Hal ini tentu perlu sangat
dipertimbangkan agar kelangsungan proses produksi
pabrik tetap terjaga dengan baik.
VI. DAFTAR PUSTAKA [1]. Arrillaga, J, D. A. Bradley, P. S. Bodger. “Power
System Harmonics”. John Wiley & Sons. 1985.
[2]. Das, J. C. “Passive Filters – Potentialities and
Limitations”. IEEE Transactions on Industry
Applications. vol. 40. no. 1. Januari/Februari 2004.
[3]. Dugan, R. C, M. F. McGranaghan, H. W. Beaty.
“Electrical Power System Quality”. New York :
McGraw-Hill. 1996.
[4]. IEEE Std. 519-1992 - Recommended Practices and
Requirements for Harmonic Control in Electrical
Power Systems.
[5]. Mendis S. R and Gonzalez D. A. “Harmonic in and
Arc Transient Overvoltage Analyses Furnace Power
Systems”. IEEE transactions on industry
applications,vol. 28, No. 2, March / April 1992.
[6]. Nguyen, T.T. ” Optimal Harmonic Filter Design
Procedure”. Electric Power Systems Research. 23
page 217- 22. Elsevier. 1992.
RIWAYAT HIDUP Gema Ramadhan dilahirkan di kota
Wamena, 24 April 1988. Penulis
adalah anak ke-2 dari pasangan
Bapak Suhardi dan Ibu Ida Farida.
Penulis Menempuh jenjang
pendidikan di SD Negeri Wamena
tahun 1994-2000, setelah itu penulis
melanjutkan pendidikan di SLTPN 1
Fakfak tahun 2000-2003, kemudian
melanjutkan pendidikan di SMUN Negeri 3 Jayapura tahun
2003-2006. Setelah lulus, penulis melanjutkan studinya di
Jurusan Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem
Tenaga, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.