111

Analisa Sistem Distribusi 20 kV Untuk Memperbaiki Kinerja Sistem Distribusi

Menggunakan Electrical Transient Analysis Program

Abrar Tanjung

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lancang Kuning

E-mail : abrartanjung_1970@yahoo.co.id

Abstrak - Dalam penyaluran tenaga listrik dari sumber tenaga listrik ke konsumen yang letaknya berjauhan selalu mengalami terjadinya kerugian berupa rugi-rugi daya dan rugi tegangan sehingga menyebabkan terjadinya jatuh tegangan yang cukup besar yang mengakibatkan rendahnya tegangan terima terutama yang berada diujung saluran. Untuk mengurangi drop tegangan dan rugi rugi daya bisa diminimalkan dengan beberapa cara yaitu dengan nmelakukan penambahan pembangkit, melakukan perubahan sistem dengan cara rekonfigurasi sistem dan dengan penambahan pemasangan kapasitor bank.

Dalam penelitin ini untuk memperbaiki dan miminalkan rugi daya dan drop tegangan dengan melakukan perubahan sistem distribusi dengan melakukan rekonfigurasi. Dengan melakukan rekonfigurasi dapat mengatasi dan meminimalkan rugi daya dan drop tegangan pada sistem distribusi 20 kV dan dapat melakukan penghematan energi listrik, peningkatan kualitas tegangan dan kualitas daya (power quality)

Kebutuhan tenaga listrik dihitung berdasarkan besarnya aktivitas dan intensitas penggunaan tenaga listrik. Aktivitas penggunaan tenaga listrik berkaitan dengan tingkat perekonomian dan jumlah penduduk. Semakin tinggi tingkat perekonomian akan menyebabkan aktivitas penggunaan tenaga listriknya semakin tinggi, begitu juga untuk jumlah penduduk. Dalam pengoperasian sistem tenaga listrik salah satu faktor utama yang diinginkan konsumen adalah kehandalan sistem penyaluran daya yang dikirimkan dari sumber-sumber pembangkit dengan daya yang diterima oleh konsumen, daya yang dikirimkan tersebut biasanya akan mengalami ketidak seimbangan sehingga mengalami rugi-rugi daya atau tegangan tidak stabil.

Untuk mengatasi permasalahan dilakukan perhitungan aliran menggunakan Metoda Newton Raphson dengan Electrical Transient Analisys Program (ETAP) 6.0.0 pada PT. PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Ujung Tanjung. Dari hasil analisa dan pembahasan diperoleh hasil rekonfigurasi_3 lebih baik dengan tegangan terima terendah sebesar 17,5 kV, Rugi daya

aktif 1,84 MW dan daya reaktif 1,16 MVAr dari kodisi eksisting dan diperoleh penghematan rugi-rugi daya aktif sebesar 1,21 MW dan daya reaktif 1,16 MVAr. Sehingga dari penghematan rugi-rugi daya diperoleh penghematan biaya daya aktif sebesar 23.232.000 dan penghematan biaya daya reaktif sebesar Rp. 22.272.000,-

Kata Kunci : rugi-rugi daya, sistem distribusi, tegangan terima 1. Pendahuluan

Perkiraan kebutuhan tenaga listrik dihitung berdasarkan besarnya aktivitas dan intensitas penggunaan tenaga listrik. Aktivitas penggunaan tenaga listrik berkaitan dengan tingkat perekonomian dan jumlah penduduk. Dalam penyaluran tenaga listrik dari sumber tenaga listrik ke konsumen yang letaknya berjauhan selalu mengalami terjadinya kerugian berupa rugi-rugi daya dan rugi tegangan. Besarnya rugi-rugi daya dan rugi tegangan pada saluran distribusi tergantung pada jenis dan panjang saluran penghantar, tipe jaringan distribusi, kapasitas trafo, tipe beban, faktor daya, dan besarnya jumlah daya terpasang serta banyaknya pemakaian beban-beban yang bersifat induktif yang menyebabkan meningkatnya kebutuhan daya reaktif [8].

Hasil optimal Pareto yang benar ditemukan dengan suatu multiobjective algoritma genetika menggunakan suatu variabel yang efisien dan beberapa masalah khusus mutasi dan operasi kawin silang Penyusunan ulang (Rekonfigurasi) dapat memperbaiki kinerja sistem distribusi, mengurangi rugi-rugi daya dan rugi tegangan serta melakukan keseimbangan beban, dengan menggunakan Metoda Aliran Daya [1].

Suatu metoda program yang linier digunakan untuk teknik transportasi dan metoda pencarian Heuristic yang dikembangkan berdasarkan analisis pada arus beban optimal. Rekonfigurasi feeder untuk menurunkan rugi-rugi diaplikasikan pada jaring distribusi otomasi [7].

112

Gardu IndukGardu Induk

GPM

Pembangkit

Transmisi TT Feeder Distribusi TM

Distribusi TR

Konsumen TR

Konsumen TM

Gardu Distribusi

PM Prime MoverG - Generator

Beban

Beban

BebanBeban

PMT

PMT

PMT

GarduInduk PMS

Feeder 1

Feeder 2

PMT

Beban

Beban

Beban

Beban

Beban

PMT

PMT

PMT

PMT

PMT

PMT

PMS

PMS

PMS

PMS

PMT

PMT

PMT Feeder 1

Feeder 2

2. Sistem Tenaga Listrik Sistem tenaga listrik meliputi sistem pembangkitan, sistem transmisi dan sistem distribusi. Sistem distribusi mempunyai perananan yaitu untuk menyalurkan dan mendistribusikan tenaga listrik kemasing-masing beban atau konsumen dengan mengubah tegangan listrik yang didistribusikan menjadi tegangan yang dikehendaki, karena kedudukan sistem distribusi merupakan bagian yang paling akhir dari keseluruhan sistem tenaga listrik yang mempunyai fungsi mendistribusikan langsung tenaga listrik pada beban atau konsumen yang membutuhkan [8][3].

Dalam pendistribusian tenaga listrik kekonsumen, tegangan listrik yang digunakan bervariasi tergantung dari jenis konsumen yang membutuhkan. Untuk konsumen industri bisaa digunakan tegangan menengah 20 kV atau 6,3 kV sedangkan untuk konsumen tegangan rendah 0,4 kV yang merupakan tegangan siap pakai untuk peralatan-peralatan perkantoran dan rumah tangga [8].

Gambar 1. Sistem Ketenagalistrikan

3. Sistem Distribusi Sistem tenaga listrik merupakan kumpulan

peralatan/mesin listrik seperti generator, transformator, saluran transmisi, saluran distribusi dan beban yang merupakan satu kesatuan sehingga membentuk suatu sistem yang disebut sistem distribusi tenaga listrik yang berfungsi untuk mensuplai tenaga dan mengalirkan listrik dari sumber tenaga listrik (pembangkit, gardu induk, dan gardu distribusi) ke beban atau konsumen [4].

Dalam sistem distribusi terdapat beberapa bentuk jaringan yang umum digunakan dalam menyalurkan dan mendistribusikan tenaga listrik yaitu : 1. Sistem Jaringan Distribusi Radial. 2. Sistem Jaringan Distribusi Rangkaian Tertutup

(loop). 3. Sistem Jaringan Distribusi Spindel.

3.1 Jaringan Distribusi Radial

Bentuk jaringan sistem ini merupakan bentuk dasar yang paling sederhana dan paling banyak digunakan. Sistem disebut radial karena jaringan ini ditarik secara radial dari Gardu Induk ke pusat-pusat beban atau konsumen yang dilayani. Sistem ini terdiri

dari saluran utama dan saluran cabang seperti terlihat pada gambar 2.

Gambar 2 Sistem Jaringan Distribusi Radial

3.2 Sistem Jaringan Distribusi Rangkaian Tertutup

Sistem jaringan ini disebut rangkaian tertutup karena saluran primer yang menyalurkan daya sepanjang daerah beban yang dilayani membentuk suatu rangkaian tertutup seperti terlihat pada gambar 3

.

Gambar 3 Sistem Jaringan Distribusi Rangkaian Tertutup.

3.3 Sistem Jaringan Distribusi Spindel Sistem jaringan ini merupakan kombinasi

antara jaringan radial dengan jaringan rangkaian terbuka (open loop). Titik beban memiliki kombinasi alternatif penyulang sehingga bila salah satu penyulang terganggu, maka dengan segera dapat digantikan oleh penyulang lain. Dengan demikian kontinuitas penyaluran daya sangat terjamin. Bentuk sistem jaringan distribusi spindel dapat dilihat pada gambar 4.

113

PMSPMT

PMS

PMS

PMS

PMS

Express Feeder

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

GH

PMT

GI

Feeder 4

BebanPM S PM T

BebanPM S PM T

Beban PMSP MT

PMT

PMT

PMT

PMT

Gambar 4 Sistem Jaringan Distribusi Spindel

4. Transformator Distribusi Transformator atau trafo adalah jenis mesin

listrik statis yang bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik. Secara umum trafo terdiri dari trafo daya, trafo tegangan dan trafo arus. Trafo daya adalah trafo yang bisa digunakan di gardu induk maupun gardu distribusi. Sedangkan trafo tegangan dan trafo arus adalah trafo yang digunakan untuk pengukuran dan proteksi [8].

Bila kumparan primer dengan N1-lilitan diberi tegangan bolak-balik V1, maka pada kumparan tersebut mengalir arus I1 dan menimbulkan fluksi medan listrik ( ) bolak-balik. Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan primer ini mengalir pada inti trafo. Saat fluksi mengalir melewati atau memotong kumparan primer, maka sesuai dengan Hukum Farraday pada kumparan primer timbul Gaya Gerak Listrik (GGL) atau tegangan induksi (E1).

Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan primer ini mengalir pada inti trafo. Saat fluksi mengalir melewati atau memotong kumparan primer, maka sesuai dengan Hukum Farraday pada kumparan primer timbul Gaya Gerak Listrik (GGL) atau tegangan induksi (E1). Demikian juga saat fluksi memotong kumparan sekunder dengan N2-lilitan, maka pada kumparan tersebut juga timbul tegangan induksi (E2).

E = N. (d /dt) (1)

5. Impedansi Saluran Untuk perhitungan jatuh tegangan, resistansi

dan reaktansi kedua konduktor perlu diperhitungkan. Kombinasi antara resistansi dan reaktansi disebut dengan impedansi yang dinyatakan dalam satuan ohm [3][5]. Impedansi dapat dihitung dengan rumus :

Z = R + jX (2.12) Maka :

Z = 22 XR Ohm (2) (2.13) Keterangan :

Z = Impedansi saluran (Ohm) R = Tahanan saluran (Ohm) X = Reaktansi (Ohm)

5.1 Tahanan Tiap konduktor memberi perlawanan atau

tahanan terhadap mengalirnya arus listrik dan hal ini dinamakan resistensi. Resistensi atau tahanan dari suatu konduktor (kawat penghantar) diberikan oleh :

AlR Ohm (3)

Keterangan : R = Resistansi (Ohm)

= Resistivitas (tahanan jenis penghantar) l = Panjang kawat (meter) A = Luas penampang kawat (mm²)

5.2 Reaktansi

Sebuah konduktor yang dilalui arus listrik dikelilingi oleh garis-garis magnetik yang berbentuk lingkaran-lingkaran konsentrik. Dalam hal ini arus bolak-balik medan sekeliling konduktor tidaklah konstan melainkan berubah-ubah dan mengait dengan konduktor itu sendiri maupun dengan konduktor-konduktor lain yang terletak berdekatan. Oleh karena adanya kaitan-kaitan fluks tersebut, saluran memiliki sifat induktansi. Reaktansi induktif dari saluran udara tiga [2]

Reaktansi penghantar untuk jaringan distribusi pada umumnya terdiri dari induktansi, maka reaktansinya disebut induktif (XL) yang dapat dihitung dengan rumus :

XL (4) Keterangan :

XL = Reaktansi jaringan (Ohm) f = frekwensi (Hz) L = Induktansi (Henry)

Jelaslah bahwa reaktansi suatu instalasi listrik tergantung dari : 1. Jarak antar konduktor, yaitu ; semakin besar jarak,

semakin besar pula reaktansi. 2. Radius konduktor, yaitu ; berkurang atau

bertambahnya radius. 3. Panjang saluran, yaitu : akan bertambahnya nilai

reaktansi [6].

5.3 Rugi Daya Pada Jaringan Distribusi Rugi-rugi daya adalah besarnya daya yang

hilang pada suatu jaringanan, yang besarnya sama dengan daya yang disalurkan dari sumber dikurangi besarnya daya yang diterima pada perlengkapan hubungan bagian utama [4].

Besarnya rugi-rugi daya satu fasa dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : P = I2 x R (Watt) (5) Keterangan : P = Rugi daya pada jaringan (Watt) I = Arus beban pada jaringan (Ampere) R = Tahanan murni (Ohm)

Besar rugi-rugi daya pada jaringan tergantung pada besarnya tahanan dan arus beban pada jaringan tersebut. Untuk mengetahui besar rugi-rugi daya pada

114

jaringan tiga fasa dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : P = 3 x I2 x R (Watt) (6)

(2.22) 6. Prinsip Dasar Rekonfigurasi

Rekonfigurasi saluran distribusi radial adalah proses merubah nilai arus maupun impedansi feeder atau memindahkan suplai suatu titik beban trafo distribusi dari suatu feeder ke feeder yang lain. Rekonfigurasi dapat merubah parameter-parameter saluran distribusi antara lain, seperti impedansi dan arus feeder. Akibat perubahan kedua parameter tersebut, akan turut merubah rugi daya dan jatuh tegangan pada feeder, keseimbangan arus phasa dan keseimbangan arus feeder serta arus hubung singkat pada sisi ujung feeder.

Oleh sebab itu, proses rekonfigurasi suatu sis-tem distribusi harus mempertimbangkan faktor faktor tersebut, terutama rugi daya dan jatuh tegangan. Konfigurasi radial dengan rugi daya dan jatuh tegangan yang paling minimum, secara ideal hanya dapat diperoleh saat tercapainya keseimbangan arus maupun impedansi feeder. 8. Program ETAP (Electrical Transient Analysis Program) PowerStation 6.0.0

PowerStation adalah software untuk power sistem yang bekerja berdasarkan perencanaan (plant/project). Dalam PowerStation, setiap perencanaan harus menyediakan data base untuk keperluan itu. ETAP PowerStation dapat melakukan penggambaran single line diagram secara grafis dan mengadakan beberapa analisis/studi yakni Load Flow (aliran daya), Short Circuit (hubung singkat), motor starting, harmonics power sistems, transient stability, dan protective device coordination. Pada gambar 5 diperlihatkan bentuk tampilan program ETAP 6.0.0

Gambar 5. Tampilan program ETAP 6.0.0

9.Analisa Pembahasan Sistem Distribusi 20 kV PT. PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Ujung Tanjung

Data diperoleh dari PT. PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri yang memperoleh suplai energi listrik dari Gardu Induk Garuda Sakti Pekanbaru. Dengan kapasitas daya Gardu Induk Duri sebesar 2 x 30 MVA, sebagian energi listrik tersebut digunakan untuk kebutuhan energi listrik di Duri dan sekitarnya,

sebagian lagi diteruskan ke Gardu Induk Dumai dan Gardu Induk Bagan Batu. Di Gardu Induk Duri saluran transmisi 150 kV diturunkan menjadi saluran distribusi primer tegangan menengah 20 kV dan disalurkan melalui beberapa feeder.

Dari Gardu Induk Duri disalurkan melalui feeder-feeder pada Gardu Hubung Ujung Tanjung dengan daya trafo distribusi, adapun feeder-feeder yaitu : 1. Outgoing Feeder Sedinginan Kota dengan

tegangan terima 17,6 kV, jumlah trafo 43, jarak saluran 30,5 kms dengan jenis penghantar AAAC 240 mm2

2. Outgoing Feeder Teluk Pulau dengan tegangan terima 13,6 kV, jumlah trafo 50, jarak 84 kms jenis penghantar AAAC 240 mm2

3. Outgoing Feeder Tanah Putih dengan tegangan terima 18,2 kV, jumlah trafo 19, jarak 7 kms dengan jenis penghantar AAAC 240 mm2

Gambar 6. Sistem Distribusi 20 kV PT. PLN (Persero) Gardu Hubung Ujung Tanjung Eksisting

Saluran distribusi Feeder dari Gardu Induk-

Duri merupakan saluran distribusi struktur radial, menggunakan Kawat penghantar jenis All Alluminum Alloy Conduktor (AAAC) ukuran 3x240 mm2, panjang saluran, dan Impedansi saluran antar trafo untuk Outgoing Feeder Sedinginan Kota, Outgoing Feeder Teluk Pulau dan Outgoing Feeder Tanah Putih diperlihatkan pada gambar 6.

Perhitungan rugi-rugi daya dan tegangan untuk Outgoing Feeder (OGF) Sedinginan Kota :

Panjang saluran = 30500 m Impedansi = 0.2982 Ohm Arus beban = 262 Amp Tegangan GH = 19612 V

Tegangan terima pada OGF Sedinginan Kota adalah sebesar 17,6 kV, OGF Teluk Pulau 13,6 kV dan OGF Tanah Putih 18,2 kV. 10.Analisa Perhitungan Untuk Memperbaiki

Kinerja Sistem Distribusi 20 kV Menggunakan ETAP 6.0.0

Metode penelitian yang dilakukan pada perhitungan menggunakan metoda Newton Raphson. Sistem saluran distribusi atau transmisi mempunyai konfigurasi antara lain seperti konfigurasi radial dan loop. Untuk mengetahui kinerja sistem, maka

.

GH. Ujung Tanjung

OGF Sedinginan Kota

OGF Teluk Pulau

OGF Tanah Putih

AAAC 240 mm2, 30,5 kms

AAAC 240 mm2, 84 kms

AAAC 240 mm2, 7 kms

20 kV

2 x 30 MVA

17,6 kV

13,6 kV

18,2 kV

115

Tr.

OGF Sedinginan Kota

OGF Teluk Pulau

OGF Tanah Putih

2 x 30 MVA

GH Ujung Tanjung

20 kV

Tr.

OGF Sedinginan Kota

OGF Teluk Pulau

OGF Tanah Putih

2 x 30 MVA

20 kV

GH Ujung Tanjung

PTS

diperlukan studi aliran daya. Tujuan studi aliran daya adalah untuk mengetahui rugi daya dan jatuh tegangan pada setiap titik beban di sepanjang saluran

Pada sistem distribusi saluran loop, aliran daya dapat terjadi dari kedua sisi saluran. Namun tidak demikian dengan saluran radial, sebab pada saluran radial catu daya untuk suatu penyulang berada pada satu sisi saluran.

Metode Newton-Raphson memiliki perhitungan yang lebih baik dari pada metode lainnya, bila untuk sistem tenaga yang lebih besar karena lebih efesien dan praktis. Jumlah iterasi yang dibutuhkan untuk memperoleh pemecahan ditentukan berdasarkan ukuran sistem menggunakan bantuan program ETAP versi 6.0.0 (Electrical Transient Analisys Program).

Data Impedansi, beban sumber tenaga listrik diperoleh dari PT. PLN (Persero) Cabang Dumai. Hasil pembahasan diperoleh Rekonfigurasi_3 pada sistem distribusi lebih baik kinerjanya pada tegangan terima dan rugi daya dari pada kondisi eksisting pada saluran distribusi Gardu Hubung Ujung Tanjung seperti tabel 1.

Gambar 7. Kondisi Eksisting

Gambar 8. Hasil Rekonfigurasi_3

Sistem single Gardu Hubung Ujung Tanjung kondisi eksisting diperlihatkan pada gambar 7 dan kondisi setelah rekonfigurasi di perlihatkan pada gambar 8.

Tabel 1 Hasil Pembahasan tegangan terima berdasarkan Running Electrical Transien Analisys Program (ETAP)

6.0.0

No Kondisi Teg.terima terendah

(kV)

Rugi daya

MW MVAr

1. Eksisting 13.6 3.05 3.14 2. Rekon_1 16.2 2.74 2.88 3. Rekon_2 16.9 2.21 2.34 4. Rekon_3 17.5 1.84 1.98 5. Rekon_4 17.1 2.12 2.36 6. Rekon_5 16.9 2.14 2.28

Berdasarkan tabel 1 diperoleh hasil analisa

menggunakan ETAP 6.0.0 untuk tegangan terima terbaik pada Rekonfigurasi_3, Hal dibuktikan bahwa hasil tegangan terima lebih baik dari kondisi eksisting sebesar 17,5 kV dan rugi-rugi daya aktif sebesar 1,84 MW dan daya reaktif sebesar 1,98 MVar.

Tabel 2 Hasil Rekonfigurasi Tegangan Terima Terbaik Menggunakan ETAP 4.0.0

No Kondisi Teg.terima terendah

(kV)

Rugi daya

MW MVAr

1. Eksisting 13.6 3.05 3.14 2. Rekon_3 17.5 1.84 1.98

Penghematan Rugi Daya 1.21 1.16 Dari Tabel.1 dapat dilakukan perhitungan untuk penghematan daya :

- daya aktif ; 1210 kW x 24 jam = 29.040 kWh/hari

- daya reaktif ; 1160 x 24 jam = 27.840 kWh/hari

Untuk melakukan penghematan biaya dilakukan dengan menggunakan perkiraan biaya sebesar Rp. 800,- /kWh diperoleh:

- daya aktif; = 29.040 kWh/hari x Rp. 800 = Rp. 23.232.000,-

- daya reaktif = 27.840 kWh/hari x Rp. 800 = Rp. 22.272.000,-

Kesimpulan 1. Kondisi Eksisting sistem distribusi 20 kV PT.

PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Ujung Tanjung tegangan terima sebesar 13.6 kV, Rugi daya aktif 3,05 MW dan daya reaktif 3,14 MVAr.

2. Hasil pembahasan dengan menggunakan Metoda Newton Rapshon dan program ETAP 6.00 diperoleh rekonfigurasi tegangan terima terbaik pada Rekonfigurasi_3 sebesar 17,5 kV, rugi daya aktif sebesar 1,84 MW dan Rugi daya reaktif 1,98 MVar, sehingga diperoleh penghematan rugi-rugi

116

daya aktif sebesar 1,21 MW dan daya reaktif sebesar 1,16 MVAr

3.Penghematan daya aktif sebesar : 1210 kW x 24 jam = 29.040 kWh/hari 29.040 x Rp. 800,- = Rp. 23.232.000,-

4. Penghematan biaya daya reaktif sebesar : 1160 x 24 jam = 27.840 kWh/hari 27.840 x Rp. 800 = Rp. 22.272.000,- Daftar Pustaka

1. A Fuzzy Multiobjective Approach

for Network Reconfiguration of Distribution , IEEE Tran On Power Delivey, Vol.

21, No. 1, Jan 2006 2. Milwaukee

School of Engineering, 1999. 3.Hadi, Abdul, Pabla, As.,

Erlangga, Cetakan Pertama, Bandung, 1994

4. Modern Power System AnalysisTata McGraw Hill, New Delhi, 2005

5. Analisis Sistem Tenaga Listrik

6.T.S.Hutahuruk, Transimisi Daya Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1985

7.Wagner, A.Y. Chikani, R. Hackman, Fellow, Feeder Reconfiguration For Loss Reduction:

, IEEE Transactions On Power Delivery, Vol. 6, No. 4, October 2001.

8.Zuhal, Dasar Tenaga Listrik , Penerbit ITB, Bandung 1991