Perbaikan Drop Tegangan & Rugi-Rugi Daya Penyulang SUTM Panjang dengan Pembangkitan Terdistribusi, Kapasitor Shunt dan Uprating Konduktor

Seminar Nasional Ketenagalistrikan dan Aplikasinya SENKA 2015

Perbaikan Drop Tegangan & Rugi-Rugi Daya Penyulang SUTM Panjang dengan Pembangkitan Terdistribusi,

Kapasitor Shunt dan Uprating Konduktor

Ade Rahmat

PT PLN (Persero) Wilayah Suluttenggo Manado, Indonesia

e-mail : [email protected]

Muchtar Djafar

PT PLN (Persero) Wilayah Suluttenggo Manado, Indonesia

e-mail : [email protected]

Abstrak—. Makalah ini mengangkat studi perbaikan kualitas tegangan dan rugi-rugi daya pada penyulang sistem distribusi PLN Area Kotamobagu yang melistriki daerah Kabupaten Bolaang Mongondow, Sulawesi Utara. Penyulang OK-4 bersifat radial murni yang terbentang sepanjang 127,01 kms. Profil Tegangan menengah pada daerah-daerah yang dilalui tersebut dapat menurun hingga lebih buruk 80% dari tegangan nominal pada perioda beban puncak, dan akan menaik mendekati tegangan normal pada perioda di luar waktu beban puncak. Adapun alternatif solusi yang ditawarkan untuk mengatasi permasalahan diatas dapat dilakukan dengan melakukan Injeksi Pembangkit terdistribusi dengan memanfaatkan potensi pembangkit terbarukan setempat. Selain itu sebagai perbandingan dilakukan juga simulasi unjuk kerja tegangan dengan menggunakan Kapasitor Shunt atau Uprating penampang konduktor.

Kata kunci-Pembangkitan Terdistribusi; Drop Tegangan; Rugi-rugi daya; SUTM Panjang

Abstract— This paper raised the voltage quality improvement studies and losses in the feeder distribution systems that provide electricity Bolaang Mongondow Area, North Sulawesi. Feeder OK-4 is a pure radial stretching 127.01 kms. Medium voltage profile on the areas through which it can be dropped to worse 80% of the nominal voltage at peak load periods, and will be ascending closer to the normal voltage on the outside of the time period of peak load. There are alternative solutions offered to overcome the above problems can be done by injection plant distributed by exploiting the potential of local renewable generation. In addition, as a comparison done also simulated the performance of voltage by using a shunt capacitor or Uprating conductor cross-section.

Keywords- Distributed Generation;Voltage Drop; Losses; Radial feeder lenght

I. PENDAHULUAN Dalam rangka meningkatkan rasio elektrifikasi, PLN

melaksanakan elektrifikasi daerah terpencil dan jauh dengan memperpanjang Saluran udara Tegangan Menengah(SUTM), karena membangun transmisi tegangan tinggi ataupun pembangkit belum layak secara ekonomi.

Untuk menjangkau daerah-daerah yang terpencil dan jauh dari gardu induk atau pembangkit dalam rangka melistriki pedesaan terutama di luar Jawa, PT PLN (Persero) terkadang terpaksa harus memperpanjang jaringan tegangan menengah 20 kV untuk menyuplai daerah-daerah tersebut. Hal ini tentu saja berdampak pada persoalaan drop tegangan dan losses yang mengakibatkan rendahnya mutu pelayanan terhadap konsumen terutama di daerah ujung penyulang dan kerugian yang ditimbulkan akibat losses penyulang.

Sistem distribusi PLN Area Kotamobagu yang melayani wilayah Kabupaten Bolaang Mongondow, Sulawesi Utara terdiri dari beberapa penyulang SUTM panjang salah satunya Penyualang OK4 disuplai dari PLTD Kotamobagu yang terinterkoneksi dengan grid sistem Minahasa

membentang sampai dengan desa Mamalia di Kabupaten Bolaang Mongondow Selatan dengan panjang jaringan sekitar 127,01 kms, sehingga tegangan di ujung penyulang mengalami drop tegangan dan rugi-rugi daya yang besar.

Gambar 1. Peta Kelistrikan Sulawesi Utara


Sepanjang daerah yang dialui penyulang tersebut

dijumpai beberapa aliran sungai seperti di desa Milangodaa & Duminanga yang berpotensi sebagai energi Mikrohidro yang dapat dijadikan Pembangkitan Terdistribusi (DG).

II. PERMASALAHAN Penggunaan SUTM panjang berakibat tegangan

pasokan transformator distribusi pada saat beban puncak menjadi terlalu rendah karena jatuh tegangan yang sangat tinggi sepanjang saluran. Tegangan pasokan transformator yang rendah akan mengakibatkan tegangan keluaran di sisi sekunder juga rendah. Kondisi saluran yang panjang ini tidak sesuai dengan SPLN 72:1987 tentang Spesifikasi desain untuk Jaringan Tegangan Menengah [JTM] dan Jaringan Tegangan Rendah [JTR].

Sedangkan tegangan pelayanan yang diterima pelanggan seharusnya mempunyai kualitas tegangan yang baik, yaitu +5% dan -10% dari tegangan nominal 230/400 V, sebagaimana diatur oleh SPLN 1: 1995 atau SNI 04-227:2003 tentang tegangan standar.

III. PRA ANGGAPAN Alternatif perbaikan drop tegangan di ujung penyulang

yang sangat besar dan losses SUTM panjang dapat dilakukan dengan Melalui :

A. Pembangkitan Terdistribusi(Distributed Generation)

Tegangan di ujung suatu SUTM panjang yang buruk pada saat beban puncak dapat diperbaiki dengan sangat efektif dengan menginjeksikan daya reaktif dari sebuah generator lokal (DG) yang sengaja dipasang dengan memanfaatkan potensi sumber energi lokal setempat.

B. Kompensasi Kapasitor shunt Pemasangan kapasitor shunt pada SUTM panjang untuk mengkompensasi rugi-rugi daya reaktif yang terjadi sepanjang saluran dan menyebabkan jatuh tegangan. Rugi-rugi daya reaktif tersebut adalah terbesar pada saat beban puncak dan terkecil pada saat beban terendah. Hal itulah yang menyebabkan mengapa tegangan beban adalah terendah pada beban puncak dan tertinggi pada beban terendah, pemasangan kapasitor shunt diharapkan mampu mengatasi permasalahan jatuh tegangan yang terjadi.

C. Uprating Penampang Konduktor Jatuh tegangan pada SUTM yang panjang dapat dikurangi dengan mengganti konduktor terpasang dengan konduktor yang berpenampang lebih besar terutama pada konduktor bottle neck dibeberapa segmen jaringan. Penggantian Penghantar juga dapat dijadikan solusi untuk mengatasi permasalahan ini.

IV. DASAR TEORI Pada jaringan tegangan menengah yang bebannya terpusat

diujung jaringan atau biasa disebut ekspress feeder, besar tegangan jatuh (voltage drop) pada jaringan SUTM dapat dihitung dari rumus pendekatan berikut :

Gambar 2. One line diagram dan ilustrasi diagram phasor drop tegangan sistem distribusi

dimana P and Q adalah daya aktif dan reaktif. Pada penyulang dengan beberapa titik beban, drop tegangan pada segmen k dapat dinyatakan dalam persaman berikut :

Gambar 3. One line diagram penyulang dengan

beberapa node beban

Dimana Pk aliran daya aktif dan Qk aliran daya reaktif pada segmen k :

Dengan Rk dan Xk adalah resistansi dan reaktansi pada segmen k. Sedangkan Uk adalah tegangan pada titik k. Kuat Arus dalam persamaan diatas diperoleh dari :


A. Pembangkitan Terdistribusi

Pada jaringan SUTM yang dinjeksi dengan pembangkit maka persamaan drop tegangan menjadi :

Gambar 2. One line diagram untu ilustrasi drop tegangan sistem distribusi dengan DG

B. Kompensasi Kapasitor Shunt

Pada penyulang yang dipasang kapasitor shunt persamaan tegangan drop menjadi :

Gambar 3. Ilustrasi profil tegangan

dengan pemasangan kapsitor

Selain jatuh tegangan pada penyulang, rugi-rugi daya juga dihitung yang terjadi pada transformator distribusi yang disebabkan oleh reaktansi bocor dan resistans belitan pada kondisi beban sekunder, dan dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut :

%100:]).().[( 2122 qXpRU +=∆

dimana : X - reaktansi bocor [%] R - resistans belitan [%] p - faktor daya, cos φ [0 .. 1,0] q - sin φ [0.. 1,0] ΔU- Jatuh tegangan [%]

V. PEMBAHASAN

Berdasarkan kondisi eksisiting yang ada, panjang Penyulang OK 4 yang membentang dari Pusat listrik (PLTD Kotamobagu) sampai dengan ujung penyulang di desa Mamalia Ranting Molibagu adalah 127,013 kms (only mainline without lateral), dengan kapasitas trafo distribusi terpasang sebesar 6.020 kVA dan kondisi beban pada saat beban puncak berdasarkan pengukuran sebesar 3.233 kVA. Dalam menganailsa aliran daya (power flow), menggunakan simulasi ETAP v.4. Berdasarkan karakteristik sistem bersifat radial dan cukup panjang, maka metode aliran daya yang digunakan menggunakan Fast-Decoupled Method.

Gambar 4. bus beban Penyulang OK 4

Analisa untuk percabangan (lateral) penyulang di representasikan menjadi satu bus dan beban tiap gardu pada mainline diwakili oleh masing-masing bus. Berdasarkan data yang ada, maka untuk penyulang OK 4 diperoleh 93 bus beban (lampiran Tabel 2). Gambar diatas merupakan representasi beban penyulang sistem penyulang OK 4 yang disederhanakan untuk mempermudah analisa.

Gambar 5. Simulasi Penambahan DG dan atau Kapasitor pada program ETAP


Gambar 6. Hasil running tegangan drop

pada program ETAP A. Pemasangan Distributed Generation Pada Bus 71

(rencana PLTM Duminanga).

Sebagaimana diketahui bersama, perkembangan sistem tenaga listrik ke depan mengalami perubahan dari sistem vertikal (vertically operated power system), yang mana jaringan disuplai oleh pembangkit skala besar/pembangkitan terpusat (Centralized Generation) menjadi sistem horizontal (horizontally-operated power system) pembangkitan tersebar (Distributed Generation), yang mana pembangkit skala kecil yang memanfaatkan potensi energi terbarukan seperti mikrohidro, surya, angin,biomassa dan lainya terhubung ke sistem jaringan distribusi 20 kV (distribution grid). B. Pemasangan Kapasitor Shunt pada Bus 66 (di PMT

Dudepo). Penggunaan kapasitor daya bermanfaat untuk : 1. Pengurangan susut yang dapat dihindari yang

disebabkan oleh arus beban reaktif. 2. Menurunkan kebutuhan kVA 3. Memperbaiki profil tegangan 4. Menaikan revenue atau menurunkan konsumsi energi

pelanggan. Persamaan jatuh tegangan (voltage drop) pemasangan

Kapasitor :

dimana Qc, daya reaktif yang dinjeksikan oleh kapasitor dalam Mvar dalam simulasi digunakan kapasitas Qc = 2 MVAR.

Dengan menggunakan kaidah Kaidah dua-pertiga Fisher Pierce : memberikan penurunan demand dan susut yang optimum :

1. Ukuran bank kapasitor harus 2/3 beban kVAr maksimum.

2. Ukuran bank kapasitor harus terletak 2/3 panjang penyulang dari GI.

3. Kontrol harus disetel dekat bank kapasitor pada saluran ketika arus saluran mengikuti mencapai 2/3 arus kapasitor

C. Penggantiang Penghantar dengan Penampang A3C 150

mm2 Resistansi suatu konduktor berbanding lurus dengan panjang penghantar dan berbanding terbalik dengan penampang, sehingga semakin besar penampang maka semakin kecil resisansinya. Berdasarkan persamaan R=ρ x (l/A), dimana l = panjang penghantar

A= luas penampang Penghantar ρ = tahanan jenis

Tabel 1. Resistansi Konduktor AAAC Luas penampang Jumlah /

diameter kawat

Resistans as., 20oC max

Reaktansi jaringan dg

GMD 101 cm

KHA terus-

menerus Nomi

nal Sebenar

nya

mm2 mm2 n / mm Ohm / km

Ohm / km A

35 34,36 7 / 2,5 0,958 0,3716 170 50 49,48 7 / 3,0 0,665 0,3602 210 50 45,70 19 / 1,75 0,724 0,3592 210 70 75,55 19 / 2,25 0,438 0,3434 155 95 93,27 19 / 2.5 0.355 0.3368 320 120 112,85 19 / 2,75 0,293 0,3308 365 150 147,1 37 / 2,25 0,225 0,3214 425 185 181,6 37 / 2,5 0,183 0,3148 490 240 242,5 61 / 2,25 0,139 0,3053 585 300 299,4 61 / 2,5 0,111 0,2987 670 400 431,1 61 / 3,0 0,077 0,2872 810 500 506,0 61 / 3,25 0,066 0,2822 930

D. Perbandingan Perbaikan Tegangan dgn Kapasitor

Shunt, DG & Uprating Berdasarkan hasil simulasi dengan ETAP (lampiran

Tabel 3) untuk kondisi Eksisting diperoleh hasil tegangan terendah dicapai oleh Bus 93 (ujung Penyulang) yakni sebesar 11,789 kV (terjadi pada Gardu Mayambanga) :


Gambar 7. Grafik Profil Tegangan eksisting, DG, Capasitor shunt dan Uprating Konduktor

Gambar 8 Grafik Profil Tegangan eksisting, DG, Capasitor shunt dan Uprating Konduktor

Pada skenario pemasangan kapasitor shunt sebesar 2

MVAR di bus 66 maka diperoleh tegangan terendah terjadi pada bus 93 (ujung penyulang) sebesar 15,59 kV.

Pada kasus pemasangan distributed generation sebesar 2x800 kW di bus 71 maka diperoleh tegangan terendah terjadi pada bus 44 (pertengahan penyulang) sebesar 17,79 kV

Pada skenario penggantian uprating penampang konduktor yang masih berpenampang 70 mm2 dan 95 mm2 menjadi 150 mm2 diperoleh tegangan terendah pada bus 93 (ujung penyulang) sebesar 13,42 kV.

Dari beberapa alternatif yang ada maka diperoleh perbaikan profil tegangan penyulang OK 4 yang paling optimal adalah dengan injeksi Pembangkit terdistribusi (DG).

KESIMPULAN 1. Berdasarkan hasil simulasi dengan ETAP untuk kondisi

Eksisting diperoleh hasil tegangan terendah dicapai oleh Bus 93 (ujung Penyulang) yakni sebesar 11,789 kV (terjadi pada Gardu Mayambanga).

2. Setelah dilakukan simulsi skenario alternatif yang maka di peroleh hasil perbaikan profil tegangan pada masing-masing bus beban. Pada kasus pemasangan kapasitor shunt sebesar 2 MVAR di bus 66 maka diperoleh tegangan terendah pada bus 93 (ujung penyulang) sebesar 15,59 kV.

3. Pada kasus pemasangan distributed generation sebesar 2x 800 kw di bus 71 maka diperoleh tegangan terendah terjadi pada bus 44 (pertengahan penyulang) sebesar 17,79 kV.

4. Pada kasus penggantian uprating penampang konduktor yang masih berpenampang 70 mm2 dan 95 mm2 menjadi 150 mm2 diperoleh tegangan terendah pada bus 93 (ujung penyulang) sebesar 13,42 kV.

5. Dari beberapa alternatif yang ada maka diperoleh perbaikan profil tegangan penyulang OK 4 yang paling optimal adalah dengan pemasangan distributed generation

SARAN Dalam makalah ini penulis mengharapkan potensi energi terbarukan setempat berupa energi mikrohidro dapat diwujudkan melalui pembangkit PLTMH, selain bermanfaat untuk perbaikan profil tegangan dan menekan rugi rugi pada jaringan sistem distribusi juga dapat mengurangi biaya operasional PLN akibat konsumsi pemakaian BBM bangkit berbahan bakar fosil yang eksisting.

Berdasarkan Feasibility Studi yang telah dilakukan potensi mikrohidro setempat diperkirakan kurang lebih 3 MW.

Perlu dilakukan studi lanjut terhadap dampak pengoperasian pembangkit terdistribusi setempat dari aspek operasi dan kehandalan sistem distribusi.

REFERENSI [1] F.A. Viawan and A. Sannino, ”Voltage Control in LV Feeder with

Distributed Generation and Its Impact to the Losses”, in Proceedings of 2005 Power Tech Conference, St. Petersburg.

[2] F.A. Viawan, A. Sannino and J. Daalder, “Voltage Control in MV Feeder in Presence of Distributed Generation”, accepted for publication in Electric Power

[3] N. Jenkins, R. Allan, P. Crossley, D. Kirschen, G. Strbac, Embedded [4] Generation, The Institution of Electrical Engineers, London, 2000 [5] SPLN D5.001:2007 Tentang Pedoman Pengaturan SUTM Panjang [6] T.A. Short, Electric Power Distribution Handbook, CRC Press LLC,

2004.Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 3rd ed., vol. 2. Oxford: Clarendon, 1892, pp.68–73.

[7] T. Gönen, Electric Power Distribution System, McGraw-Hill Book Company,1986.

[8] T. Ackermann, G. Andersson and L. Söder, “Distributed Generation: a definition”, Electric Power Systems Research, vol.57, 2001, pp. 195-204.

Ade Rahmat, Lahir di Bekasi 27 Desember 1981. Pendidikan S1 Teknik Elektro Universitas Diponegoro Semarang tahun 2004. Bergabung dengan PLN tahun 2005 dengan Riwayat penugasan antara lain: Operasi Distribusi, Perencanaan Distribusi, Transaksi Energi Listrik & Pelayanan Pelanggan. Muchtar Djafar, Pendidikan D3 Universitas Samratulangi. Saat ini bertugas sebagai Deputi Manajer Perencanaan Sistem PLN wilayah Suluttenggo


Lampiran (Tabel 2. Data Beban Trafo)


Lampiran (Tabel 3. Profil Tegangan Hasil Simulasi ETAP)

Dari Ke eksisting with DG with Capasitor fix with uprating 0 1 19,672 19,845 19,778 19,9621 2 19,258 19,650 19,501 19,3032 3 18,955 19,508 19,298 19,0193 4 18,830 19,449 19,215 18,9024 5 18,820 19,445 19,208 18,8935 6 18,489 19,290 18,977 18,5826 7 18,339 19,221 18,878 18,4417 8 18,311 19,208 18,860 18,4158 9 18,195 19,154 18,780 18,3209 10 17,964 19,050 18,630 18,10410 11 17,339 18,796 18,264 17,57611 12 17,228 18,719 18,153 17,41512 13 17,127 18,674 18,088 17,32113 14 16,910 18,578 17,950 17,11814 15 16,907 18,576 17,948 17,11515 16 16,778 18,521 17,867 16,99516 17 16,714 18,493 17,826 16,93417 18 16,500 18,402 17,693 16,73518 19 16,494 18,400 17,690 16,73019 20 16,189 18,272 17,500 16,445

21 22 16,016 18,201 17,396 16,28322 23 15,963 18,179 17,364 16,23423 24 15,913 18,159 17,334 16,18824 25 15,854 18,135 17,298 16,18825 26 15,844 18,131 17,292 16,13326 27 15,638 18,048 17,168 16,12427 28 15,449 17,973 17,056 15,93028 29 15,395 17,952 17,025 15,75529 30 15,385 17,950 17,019 15,70630 31 15,312 17,931 16,984 15,69631 32 15,309 17,931 16,982 15,63032 33 15,228 17,912 16,939 15,62733 34 15,130 17,892 16,888 15,56234 35 15,039 17,873 16,841 15,41835 36 14,945 17,854 16,792 15,34536 37 14,902 17,848 16,772 15,31337 38 14,818 17,837 16,732 15,24938 39 14,753 17,829 16,701 15,19939 40 14,664 17,818 16,655 15,14540 41 14,533 17,804 16,586 15,06641 42 14,430 17,794 16,534 15,00342 43 14,345 17,787 16,491 14,92543 44 14,288 17,786 16,464 14,91844 45 14,217 17,787 16,431 14,87545 46 14,109 17,790 16,383 14,81046 47 14,083 17,791 16,371 14,79447 48 14,056 17,792 16,360 14,77948 49 13,977 17,797 16,326 14,73149 50 13,836 17,809 16,268 14,647

Voltage (kV)Rel

Dari Ke eksisting with DG with Capasitor fix with uprating 50 51 13,770 17,816 16,241 14,60851 52 13,759 17,817 16,237 14,60152 53 13,732 17,821 16,230 14,58053 54 13,724 17,824 16,228 14,57554 55 13,709 17,830 16,227 14,56355 56 13,639 17,861 16,230 14,50256 57 13,610 17,875 16,228 14,48057 58 13,415 17,974 16,220 14,33358 59 13,166 18,098 16,177 14,19059 60 13,091 18,135 16,165 14,14760 61 13,018 18,173 16,154 14,10561 62 12,995 18,187 16,151 14,09262 63 12,974 18,202 16,150 14,08063 64 12,972 18,204 16,150 14,07964 65 12,903 18,270 16,156 14,03965 66 12,666 18,495 16,178 13,90666 67 12,608 18,551 16,185 13,87367 68 12,572 18,586 16,160 13,85368 69 12,499 18,662 16,107 13,81169 70 12,474 18,690 16,089 13,79770 71 12,418 18,753 16,048 13,76671 72 12,318 18,878 15,976 13,70972 73 12,278 18,854 15,946 13,68773 74 12,228 18,825 15,911 13,65974 75 12,175 18,794 15,873 13,62975 76 12,125 18,764 15,836 13,60176 77 12,091 18,744 15,811 13,58177 78 12,046 18,711 15,779 13,55678 79 12,027 18,706 15,765 13,54679 80 11,993 18,678 15,741 13,52780 81 11,960 18,667 15,717 13,50881 82 11,939 18,655 15,702 13,49682 83 11,907 18,635 15,679 13,47883 84 11,884 18,622 15,662 13,46584 85 11,865 18,811 15,649 13,45585 86 11,851 18,603 15,639 13,44786 87 11,843 18,598 15,633 13,44287 88 11,828 18,589 15,622 13,43488 89 11,814 18,581 15,612 13,42689 90 11,800 18,572 15,602 13,42190 91 11,796 18,570 15,599 13,41991 92 11,791 18,567 15,595 13,41792 93 11,790 18,566 15,594 13,41693 94 11,789 18,566 15,594 13,416

Voltage (kV)Rel


Documents

Perbaikan Drop Tegangan & Rugi-Rugi Daya Penyulang SUTM Panjang dengan Pembangkitan Terdistribusi, Kapasitor Shunt dan Uprating Konduktor