Oleh:Gunawan Muhammad

2209106042

ANALISA GANGGUAN PADA ELECTRIC ARC FURNACE (EAF) AKIBAT ARUS INRUSH TRANSFORMATOR &

RESONANSI FILTER HARMONISA PABRIK PELEBURAN BAJA PT. ISPATINDO

Dosen Pembimbing:1. Prof. Ir. Ontoseno Penangsang, M.Sc, Ph.D.2. Heri Suryoatmojo ST, MT, Ph.D.

Teori Penunjang2

Pendahuluan1

Sistem Kelistrikan3

Simulasi dan Analisis4

Penutup5

Latar belakang Beban arc furnace adalah komponen penting pada perusahaan

peleburan baja PT. Ispat Indo disisi lain beban tersebutmenimbulkan efek harmonisa yang cukup besar.

Pengoperasian periodik pada beban arc furnace menyebabkan timbulnya arus inrush dan arus harmonisa ke 2 yang tinggi pada saluran.

Arus inrush dan arus harmonisa yang tinggi dapat merusak peralatan listrik, mengganggu kordinasi proteksi dan mengganggu kualitas daya pada saluran listrik dengan beban arc furnace

Tujuan Membuktikan akibat dari operasi beban yang on-off secara

periodik dapat menyebabkan timbulnya arus inrush dan harmonisa yang tinggi antara beban arc furnace dan transformator utama.

Menekan terjadinya resonansi paralel antara filter harmonisa dengan impedansi saluran

Menjaga kualitas daya pada sistem saat terjadi gangguan

Batasan Masalah 1. Sistem kelistrikan yang dipakai dalam tugas akhir ini adalah

sistem kelistrikan PT. Ispat Indo dari sumber sampai bagian Arc Furnace.

2. Perangkat lunak yang digunakan yaitu ETAP 7.00 untuk analisis studi aliran daya dan simulasinya.

Teori Penunjang2

Pendahuluan1

Sistem Kelistrikan3

Simulasi dan Analisis4

Penutup5

Inrush current Pada saat transformator dihubungkan terhadap suatu sumber

tegangan (energize) akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat sampai tercapai kondisi steady state. Arus awal ini disebut sebagai arus inrush dan besarnya dapat mencapai 8 sampai 30 kali arus nominal. Arus inrush ini perlu mendapat perhatian khusus karena pengaruhnya dapat mengganggu pengoperasian pengaman, tergantung keadaan awal saat transformator tersebut dihubungkan.

Faktor-faktor yang mempengaruhi besar dan lamanya arus inrush ini antara lain adalah magnitude tegangan suplay saat energize, flux sisa pada inti trafo dan impedansi sumber dan impedansi sistem.

Inrush current

Harmonisa

fn = n fo

fo = frekuensi dasarfn = frekuensi harmonisa ke-nn = 1,2,3……

Merupakan suatu fenomena yang timbul akibat penggunaan beban-beban listrik non linier.

Dalam sistem tenaga listrik, definisi harmonisa dapat dijelaskan sebagai gelombang terdistorsi secara periodik pada keadaan steady state yang disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinus sistem pada frekuensi fundamental dengan komponen gelombang lain yang merupakan frekuensi kelipatan interger dari frekuensi fundamental sumber

Besaran Harmonisa

Ukuran distorsi harmonisa. Distorsi Harmonisa Total (Total Harmonics Distortion, THD)

Standard Harmonisa Arus (IEEE Std. 519-1992) untuk level tegangan 69 kV dan dibawahnya

Isc / IL h<11 11h<17 17h<23 23h<35 35h THD (%)

<20 4 2 1,5 0,6 0,3 5

20 => 50 7 3,5 2,5 1 0,5 8

50 => 100 10 4,5 4 1,5 0,7 12

100 => 1000 12 5,5 5 2 1 15

> 1000 15 7 6 2,5 1,4 20

Standard HarmonisaTegangan (IEEE Std. 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

Filter pasif Filter pasif tersusun dari induktansi, kapasitansi, dan resistansi.

Filter pasif ini mempunyai beberapa bentuk, berdasarkan susunan rangkaian komponen-komponen penyusunnya. Secara umum filter pasif dapat dibedakan dalam tiga jenis :

Filter dengan penalaan tunggal (Single Tuned Shunt Filter). Filter dengan penalaan ganda (Double Tuned Filter). High Pass Damp Filter Type.

Resonansi

Paralel

Resonansi paralel akan menghasilkanimpedansi yang tinggi. Sehingga jikafrekuensi harmonisa sama denganfrekuensi resonansi paralel, makaakan terjadi tegangan yang tinggipada terminal kapasitor.

Seri

Resonansi seri akan mengakibatkan impedansi menjadi sangat kecil sehingga arus yang tinggi dapat mengalir ke kapasitor.

rf

Z

f

rf

Z

f

Gambar Kurva impedansi terhadap frekuensi saat terjadi resonansi paralel.

Gambar Kurva impedansi terhadap frekuensi saat terjadi resonansi seri.

Sistem Kelistrikan3

Simulasi dan Analisis4

Penutup5

Pendahuluan1

Teori Penunjang2

Sigle Line yang Dianalisa

Simulasi dan Analisis4

Penutup5

Pendahuluan1

Teori Penunjang2

Sistem Kelistrikan3

Analisa aliran dayaBus To Bus Load Flow

ID ID MW Mvar Amp % PF

ABB Panel (Subs.)

Near Furnace 50883 10265 909.1 98.0

Bus88 -57183 -1641 1001.9 100

Main Bus(PLN) - - - -

Bus14 Near Furnace -50803 -31485 50107.2 85.0

Bus88

Bus147 6.849 4.622 433.9 82.9Main

Bus(PLN) -6.849 2.571 384.2 -93.6

ABB Panel (Subs.) - - - -

Bus147 Bus88 -6.828 -4.232 17142.5 85.0

Main Bus(PLN)

Yard 34.565 9217 137.7 96.6

ABB Panel (Subs.) 64096 -0.929 246.7 -100

Near Furnace

Bus14 68.497 48.754 1472.9 81.5

ABB Panel (Subs.)

-68.497

-24.819 1276.4 94.0

Simulasi dan analisis (fenomena arus inrush)

Arus inrush diakibatkan switcing pada beban secara terus menerus, pengukuran arus pada saluran dari trafo utama dan beban didapat hasil :

Arus harmonisa 1 2 3 4 5 7 11 13

Trafo 65 100% 58.32% 61.69% 9% 2.89% 1.27% 0.00076 % 0.01%

Beban Arc furnace

100% 43.40 % 12.17% 9.6% 7.8% 2.88% 8.35% 6.53%

Simulasi harmonisa

Evaluasi gangguan arus harmonisa

Bus Voltage Distortion To Bus Current Distortion

IDFund. RMS ASUM THD

IDFund. RMS ASUM THD

kV % % % Amp Amp Amp %

ABB Panel (Subs.) 33.000 104.20 157.93 30.06

Bus 93 249.81 265.88 428.52 36.44

Bus 98 1131.23 2157.12 3837.41 162.36

Bus 100 300.43 2136.86 2468.52 704.20

Near Furnace 908.11 4007.24 5796.13 429.79

Bus14 0.690 109.96 177.96 46.53Near

Furnace50052.2

3 192342.40 289717.50 371.04

Bus88 11.000 104.23 157.32 29.60

Bus147 433.90 445.84 627.77 23.63

Main Bus(PLN) 384.15 384.15 384.15 0

Bus147 0.270 103.99 153.30 27.74 Bus88 7643.09 25040.29 24.36 251.13

Main Bus(PLN) 150.000 104.24 157.23 29.43

Yard 153.49 270.68 49.27 344.04

Bus 98 276.88 276.88 0 0.50

Near Furnace 33.000 104.20 157.93 30.06

Bus14 4028.59 6083.89 361.99 290.93

ABB Panel (Subs.) 4007.24 5796.13 429.79 167.47

Koordinasi kondisi normal saluran dengan filter harmonisa ke 2

Koordinasi kondisi dengan gangguan arus harmonisa saluran dengan filter harmonisa ke 2

Contoh perhitungan

ID ETAP Relay Brands CT Rasio Invers Current Definite Current

I> t> I>> t>>

OCR-14 50 MG Sepam 1000 2000/5 0.91 0.1 3.01`

0.2

OCR-66 50 MG Sepam 1000 2000/5 0.91 0.4 3.4 0.5

OCR-65 50 MG Sepam 1000 600/5 1 0.4 2.6 0.7

OCR-207 50 MG Sepam 1000 250/5 2.4 0.6 6.6 0.9

OCR-208 50 MG Sepam 1000 250/5 2.4 0.6 6.6 0.9

ID ETAP Relay Brands CT Rasio Invers Current Definite Current

I> t> I>> t>>

OCR-14 50 MG Sepam 1000 2000/5 1.15 0.1 3.01 0.2

OCR-66 50 MG Sepam 1000 2000/5 1.15 0.4 3.4 0.5

OCR-65 50 MG Sepam 1000 600/5 1 0.4 2.6 0.7

OCR-207 50 MG Sepam 1000 250/5 2.4 0.6 6.6 0.9

OCR-208 50 MG Sepam 1000 250/5 2.4 0.6 6.6 0.9

Setting Normal

Setting dengan gangguan harmonisa

Fenomena Resonansi Paralel

Respon frekuensi pada bus ABB 33 kV pada saat timbul arus inrush dan arus harmonisa ke 2

Pada frekuensi 410 Hz terjadi impedansi sistem yang tinggi bernilai 16,11 ohm

Solusi terhadap perbaikan kualitas daya

Solusi untuk meredam arus harmonisa ke 2 yang tinggi yang bersumber pada transformator 65 dan beban arc furnace ,dalam hal ini akan dipertimbangkan untuk desain filter pasif yang dipasang pada bus near furnace 33 kV, bus ABB panel dan bus 169 agar arus harmonisa ke 2 yang ada pada single line diagram masih berada pada batas toleransi. Standar yang digunakan adalah standar IEEE 519 (1992) (keterangan pada bab 2). Oleh karena itu dilakukan pencatatan THD tegangan dan THD arus sebelum pemasangan filter dan pemasangan filter

Perencanaan pemasangan 3 buah filter harmonisa ke 2

1

23

Desain ulang dan pemasangan filter pasif dengan penalaan pada orde 2 di pasang pada gambar panah disamping yang berguna untuk meredam arus harmonisa ke 2 yang timbul pada saat beban arc furnace bekerja

Besar nilai R,L, C yang terpasang:R = 0.5 ohmXL = 14.97 mHC = 56,46 µFQc= 19317 KVAR

Contoh perhitungan filter pasifTegangan line-line : 33 kVFrekuensi Sudut :

Lebar Band, Q = 30 – 50, dipilih Q = 30Bus ABB Panel (cos φ = 83 %)S = 50786 kW +10244 kVARUntuk pemasangan kapasitor dipakai (cos φ 96 %)Jadi, untuk Q1 = 50786tan ( arc cos 0.84 )

= 34128.39 kvarUntuk Q2 = 50786 tan ( arc cos 0.96 )

= 14812.56 kvar

Maka Qc yang dipilih untuk memperbaiki adalah sebesar

Qc = Q1 – Q2= 34128.39 – 14812.56=19316,8 kvar= 19317 kvar ( dibulatkan )

Cos φ menjadi 96%

BUS ABB PanelSingle Tuned orde 2kVar yang digunakan (Q­c) sebesar 19317 kVarRating kapasitor (dalam Farad) komponen filter adalah,

Frekuensi Tuning = 97 Hz ( toleransi dari tuning 100 Hz)

Maka komponen reaktor filter:

XLdiambil sebesar 14,97 dari hasil perhitungan langsung dari filter sizing ETAP 7.00

Dan komponen resistansi filternya adalah,

Hasil simulasi (sebelum pemasangan filter)

Spektrum THD sebelum pemasangan filter

Spektrum tegangan sebelum pemasangan filter

Hasil simulasi (setelah pemasangan filter)

Spektrum THD sebelum pemasangan filter

Spektrum tegangan sebelum pemasangan filter

Hasil simulasi setelah pemasangan filter

Bus THDV (%)

Standard (%) Condition PF (%)

Bus 14 1.86 5 OK 85Bus Near Furnace 2.77 5 OK 83

Bus ABB panel 2.85 5 OK 98.7

Bus 169 2.97 5 OK -63.8

Bus 88 1.16 5 OK -93.6

Line To Line (Feeder) THDi (%)

33kV Tranformator 65 ABB Panel 60ABB panel Near furnace 70

THD Tegangan

THD Arus

Penutup5

Simulasi dan Analisis4

Pendahuluan1

Teori Penunjang2

Sistem Kelistrikan3

Kesimpulan Fenomena inrush current pada trafo terjadi karena pada

beban arc furnace bekerja secara periodic, dalam arti bebantersebut tidak sekali switch, namun diperlukan switching dalam waktu tertentu untuk sebuah proses peleburan baja, hal tersebut menimbulkan fenomena inrush current dan arusharmonisa orde 2 yang tinggi.

Arus inrush dan arus harmonisa yang tinggi mempengaruhisetting relay, sehingga perlu dilakukan koreksi.

Hasil yang diperoleh setelah pemasangan ke 3 filter harmonisa dengan tuning pada orde ke 2 adalah THD tegangan berkurang dari 16,95% menjadi 3,5 % dan THD arus yang masih cukup tinggi yaitu sekitar 60 %.

Terima Kasih

2nd harmonics in transformerTypical harmonics generated by the transformer inrush current are shown in Fig. 17-8. Overexcitation of transformers in steady-state

operation can produce harmonics. The generated fundamental frequency emf is given by V ¼ 4:44fTphBmAc ð17:13Þwhere Tph is the number of turns in a phase, Bm is the flux density (consisting offundamental and higher order harmonics), and Ac is the area of core. Thus, thefactorV=f is a measure of the overexcitation, though these currents do not normally cause a wave distortion of any significance. Exciting currents increase rapidly with voltage, and transformer standards specify application of 110% voltage without

overheating the transformer. Under certain system upset conditions, the transformers may be subjected to even higher voltages and overexcitation.

Polaritas dan akibat urutan harmonisa

Eksitasi awal dan eksitasi adanya harmonisa

Komponen DC

Yang dimaksud dengan inrush current Pada saat transformator dihubungkan terhadap suatu

sumber tegangan (energize) akan mengalir arus yang cukup besar dengan periode waktu yang sangat singkat sampai tercapai kondisi steady state.

Perbedaan dg short circuit:Arus gangguan karena hubungan fasa dengan fasa ataupun netral pada arus AC tanpa melalui tahanan sehingga mengakibatkan arus meningkat dan menjadi besar.

Masalahnya dalam tugas akhir ini adalah saat transformator utama di energize pada saat pertama kali, arus kemudian mengalir menuju transformator beban arc furnace, kemudian karena dalam saluran tersebut terdapat filter pasif orde ke 2 dan setelah di run menggunakan study case harmonics analysis pada software ETAP masih terjadi resonansi paralel.

Kemudian karena proses switching berkali-kali pada beban mengakibatkan penguatan arus yang mengalir antara trafo utama menuju filter harmonisa ke 2, hal ini yang dapat mempengaruhi setting pengaman pada filter harmonisa ke 2

Transformator Dalam transformator ini pada saat beban bekerja maupun

tidak bekerja, kondisinya dalam keadaan on Karena beban yang tidak sepenuhnya on, dalam arti setiap

saat bisa on atau off, hal tersebut akann menimbulkan arus harmonisa ke 2

Akibat power faktor leading Tegangan akan menjadi lebih besar( overvoltage) Masih timbul resonansi paralel pada bus ABB Panel

Memasukkan parameter harmonisa ke dalam software ETAP 7.00

Parameter harmonisa pada beban arc furnace

Parameter harmonisa pada trafo utama 150/33/11 kV

Akibat power faktor leading Tegangan saluran menjadi overvoltage