analisa harmonisa sistem kelistrikan pabrik peleburan...

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


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


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 /


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


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


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


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


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.


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


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


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.

analisa harmonisa sistem kelistrikan pabrik peleburan...

Documents