Laporan Praktikum 4 STE [PDF]

Citation preview

Percobaan IV Analisis Hubung Singkat Agadi Samridho (13115004) Asisten : Agung Apriadi (13113001) Tanggal Percobaan : 28/04/2018 Praktikum Sistem Tenaga Elektrik - EL3208 Laboratorium Dasar – Teknik Elektro Institut Teknologi Sumatera



Abstrak— Pada praktikum modul IV ini, Praktikan dituntut untuk dapat melakukann analisis terhadap hubung singkat pada suatu sistem tenaga listrik dengan menggunakan Simulink pada MATLAB. Pada percobaan ini, rangkaian pada modul III sebelumnya ditambahkan beberapa komponen fault (gangguan) yang berbeda pada sebelum dan sesudah transformator, yaitu fault 3 fasa, fault 2 fasa ke tanah, dan fault 1 fasa ke tanah. Praktikan dituntut untuk mem-plot nilai arus pada beban dan generator serta membandingkannya dengan kondisi awal sebelum diberikan komponen fault. Kata Kunci—Fault, Beban, Generator, Fasa



Selama kondisi gangguan, sistem proteksi diperlukan untuk mendeteksi, menghilangkan dan mengisolasi gangguan tersebut. Hal ini dapat dilakukan pada bermacam-macam gangguan (tiga fasa simetris, fasa ke fasa, dua fasa ke tanah, satu fasa ke tanah, dan tiga fasa ke tanah). Arus hubung singkat yang begitu besar sangat membahayakan peralatan, sehingga untuk mengamankan peralatan dari kerusakan akibat hubung singkat maka hubungan kelistrikan pada bagian yang terganggu perlu diputuskan dengan peralatan pemutus tenaga atau Circuit Breaker (CB). Selain itu, perhitungan arus hubung singkat juga sangat penting dalam menentukan kemampuan pemutus tenaga dan untuk koordinasi pemasangan relay proteksi. B. Gangguan



I. PENDAHULUAN



P



ADA praktikum modul IV ini akan ditambahkan beberapa komponen fault pada rangkaian modul III sebelumnya. Penambahan komponen ini dimaksudkan untuk mengevaluasi kinerja dan menganalisa kondisi pembangkit ketika terjadi hubung singkat pada sistem tenaga listrik. Sehingga kita dapat mengetahui apa yang terjadi pada sistem apabila terdapat fault 1 fasa ke tanah, fault 2 fasa ke tanah, dan fault 3 fasa serta dapat menanggulangi fault tersebut dengan menciptakan sistem proteksi yang tepat sesuai dengan jenis fault-nya. Sehingga dengan melakukan penambahan beberapa komponen fault dengan jenis yang berbeda pada modul IV ini, diharapkan Praktikan mampu melakukan analisis terhadap hubung singkat pada suatu sistem tenaga listrik dengan menggunakan Simulink pada MATLAB. Sehingga Praktikan mempunyai gambaran mengenai dampak-dampak dari adanya fault sebelum terjun ke dalam sistem pembangkit yang real.



II. LANDASAN TEORETIS A. Studi Hubung Singkat Studi hubung singkat dilakukan untuk menentukan besarnya arus yang mengalir melalui sistem tenaga listrik pada berbagai jarak setelah gangguan berubah menurut waktu sampai mencapai kondisi tetap. (Yelfianhar, 2009 : 70).



Gangguan adalah suatu ketidaknormalan (interferes) dalam sistem tenaga listrik yang mengakibatkan mengalirnya arus yang tidak seimbang dalam sistem tiga fasa. Gangguan dapat juga didefinisikan sebagai setiap kesalahan dalam suatu rangkaian yang menyebabkan terganggunya aliran arus yang normal. Berdasarkan kesimetrisannya, gangguan dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis, yaitu :  Gangguan asimetris, merupakan gangguan yang mengakibatkan tegangan dan arus yang mengalir pada setiap fasanya menjadi tidak seimbang, gangguan ini terdiri dari: 1. Gangguan Hubung Singkat Satu Fasa ke Tanah, yakni gangguan yang disebabkan karena salah satu fasa terhubung singkat ke tanah atau ground. 2. Gangguan Hubung Singkat Dua Fasa, yakni gangguan yang disebabkan karena fasa dan fasa antar kedua fasa terhubung singkat dan tidak terhubung ke tanah. 3. Gangguan Hubung Singkat Dua Fasa ke Tanah, yakni gangguan yang terjadi ketika kedua fasa terhubung singkat ke tanah. 



Gangguan simetris, merupakan gangguan yang terjadi pada semua fasanya sehingga arus maupun tegangan setiap fasanya tetap seimbang setelah gangguan terjadi.



Gangguan ini terdiri dari: 1. Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa, yakni gangguan yang terjadi ketika ketiga fasa saling terhubung singkat. 2. Gangguan Hubung Singkat Tiga Fasa ke Tanah, yakni gangguan yang terjadi ketika ketiga fasa terhubung singkat ke tanah. Semua gangguan hubung singkat diatas, arus gangguannya dihitung dengan menggunakan rumus dasar yaitu : V=IZ Dimana : I = Arus (A) V = Tegangan sumber (V) Z =Impedansi jaringan, nilai ekivalen dari seluruh impedansi di dalam jaringan dari sumber tegangan sampai titik gangguan (Ohm) Yang membedakan antara gangguan hubung singkat tiga fasa, dua fasa dan satu fasa ke tanah adalah impedansi yang terbentuk sesuai dengan macam gangguan itu sendiri, dan tegangan yang memasok arus ke titik gangguan. Impedansi yang terbentuk dapat ditunjukkan seperti berikut ini : Z untuk gangguan tiga fasa, Z = Z1 Z untuk gangguan dua fasa, Z = Z1 + Z2 Z untuk gangguan satu fasa, Z = Z1 + Z2 + Z0 Dimana : Z1 = Impedansi urutan positif (Ohm) Z2 = Impedansi urutan negatif (Ohm) Z0 = Impedansi urutan nol (Ohm) C. Perhitungan Arus Hubung Singkat Gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik merupakan gangguan asimetris sehingga memerlukan metode komponen simetris untuk menganalisa tegangan dan arus pada saat terjadi gangguan. Gangguan yang terjadi dapat dianalisa dengan menghubung-singkatkan semua sumber tegangan yang ada pada sistem dan mengganti titik (node) gangguan dengan sebuah sumber tegangan yang besarnya sama dengan tegangan sesaat sebelum terjadinya gangguan di titik gangguan tersebut. Sehingga gangguan asimetris dapat direpresentasikan dengan menggunakan teori komponen simetris yaitu berdasarkan komponen urutan positif, komponen urutan negatif, dan komponen urutan nol. Sedangkan gangguan hubung singkat tiga fasa termasuk dalam klasifikasi gangguan simetris, dimana arus maupun tegangan stiap fasanya tetap seimbang setelah gangguan terjadi. Sehingga pada sistem seperti ini dapat dianalisa hanya dengan menggunakan urutan positif saja. 



Hubung Singkat Tiga Fasa



Dimana : 𝑉𝑓 : Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadinya gangguan (V) 𝑍1 : Impedansi urutan positif dilihatdari titik gangguan (Ω) 



Hubung Singkat Dua Fasa ke Tanah



Dimana : 𝑉𝑓 : Tegangan di titik gangguan sesaat sebelum terjadinya gangguan (V) 𝑍0 : Impedansi urutan nol dilihat dari titik gangguan (Ω) 𝑍1 : Impedansi urutan positif dilihatdari titik gangguan (Ω) 



Hubung Singkat 1 Fasa ke Tanah



Karena 𝑍1𝑒𝑞 = 𝑍2𝑒𝑞 , maka :



Dimana : 𝑉𝑝ℎ = tegangan fasa-netral sistem (V) 𝑍1𝑒𝑞 = Impedansi urutan positif (Ω) 𝑍0𝑒𝑞 = Impedansi urutan nol (Ω)



III. HASIL DAN ANALISIS A. Kondisi Awal Pada kondisi awal, rangkaian belum memiliki tambahan komponen (menggunakan rangkaian praktikum modul 2). Data dari kondisi awal tersebut terdapat pada Gambar 1 di lembar lampiran. Untuk menentukan apakah rangkaian tersebut dalam kondisi undervoltage, overvoltage atau overload dapat dilihat dari nilai tegangan busbar. Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa nilai tegangan busbar pada beban 1 dan beban 2 yaitu : 𝑉1 = 0,8453 pu 𝑉2 = 0,8177 pu Lalu kita dapat menentukan nilai tegangan busbar dengan menghitung manual secara matematis sebagai berikut : Vact = Vpu x Vbase 𝑉1 = 0,8453 x 20k = 16,906 kV



𝑉2 = 0,8177 x 20k = 16,354 Kv Dari hasil perhitungan secara matematis tersebut, dapat kita simpulkan bahwa kondisi awal dari rangkaian praktikum modul 2 berada dalam kondisi undervoltage. Hal ini didasari karena nilai tegangan aktual beban 1 dan beban 2 berada lebih kecil dibandingkan nilai tegangan nominal (tegangan base).



B. Penambahan Capacitor Bank Pada percobaan ini, praktikan menambahkan komponen Capacitor Bank pada beban 1 dengan menggunakan Three Phase Parallel RLC-Load, dimana parameter Active Power (P) dan Inductive Reactive Power (QL) dibuat menjadi nol, sedangkan nilai Capacitive Reactive Power (QC) dibuat menjadi 475e6. Pada Gambar 2 terlihat bahwa nilai tegangan beban 1 dan tegangan beban 2 setelah ditambahkan kapasitor meningkat dari nilai tegangan beban ketika kondisi awal. Kondisi awal : 𝑉1 = 0,8453 pu 𝑉2 = 0,8177 pu Kondisi ketika ditambahkan Capacitor Bank pada Beban 1 : 𝑉1 = 0,9112 pu 𝑉2 = 0,9846 pu Dari data tersebut dapat kita lihat bahwa beban 1 masih dalam kondisi undervoltage, karena masih cukup jauh dari nilai ideal yaitu 1. Apabila nilai QC diperbesar lagi maka akan menyebabkan beban 2 berada pada kondisi overvoltage. Sehingga tidak mungkin dengan memperbesar nilai QC Capacitor Bank pada beban 1. Oleh karena itu, Capacitor Bank akan dipindah ke beban 2 guna menanggulangi masalah tersebut. Selanjutnya Praktikan memindahkan Capacitor Bank ke beban 2 dengan nilai parameter yang sama dengan sebelumnya. Pada Gambar 3 terlihat bahwa baik tegangan pada beban 1 dan tegangan pada beban 2 meningkat dari sebelumnya dan cukup mendekati nilai ideal. Kondisi ketika ditambahkan Capacitor Bank pada Beban 2 : 𝑉1 = 0,9335 pu 𝑉2 = 0,9955 pu Dapat disimpulkan bahwa penambahan Capacitor Bank dapat meningkatkan nilai tegangan pada beban, sehingga dapat menanggulangi kondisi undervoltage pada sistem tenaga listrik. Hal ini dapat terjadi karena Capacitor Bank dapat berfungsi sebagai penyerap daya reaktif negatif, sehingga Capacitor Bank akan melawan daya reaktif positif yang ditimbulkan oleh beban induktif. Secara tidak langsung Capacitor Bank berfungsi sebagai penyuplai daya reaktif sehingga akan memperbaiki



nilai faktor daya (cos phi) sistem tersebut.



C. Penambahan Reactor Shunt Pada percobaan ini, kondisi awal sistem dibuat menjadi kondisi overvoltage dengan cara menambahkan Capacitor Bank pada beban 2 dengan nilai parameter Active Power (P) dan Capacitive Reactive Power (QC) dibuat menjadi nol, sedangkan nilai Inductive Reactive Power (QL) dibuat menjadi 275e6. Kondisi awal tersebut dapat dilihat pada Gambar 4, dimana nilai tegangan beban 1 dan nilai tegangan beban 2 sebagai berikut : 𝑉1 = 0,9622 pu 𝑉2 = 1,0542 pu Ketika rangkaian ditambahkan komponen Reactor Shunt pada beban 1, maka nilai tegangan beban 1 dan nilai tegangan beban 2 akan menurun. Penurunan tegangan tersebut dapat dilihat pada Gambar 5. Kondisi ketika ditambahkan Reactor Shunt pada beban 1 : 𝑉1 = 0,8873 pu 𝑉2 = 0,9959 pu Setelah selesai mencatat nilai 𝑉1 dan 𝑉2 ketika ditambahkan Reactor Shunt pada beban 1, maka Praktikan akan membandingkan nilai tersebut dengan menambahkan komponen Reactor Shunt pada beban 2 dengan nilai parameter yang sama. Ketika rangkaian ditambahkan komponen Reactor Shunt pada beban 2, maka nilai tegangan beban 1 dan nilai tegangan pada beban 2 juga menurun. Penurunan tegangan tersebut dapat dilihat pada Gambar 6. Kondisi ketika ditambahkan Reactor Shunt pada beban 2 : 𝑉1 = 0,8402 pu 𝑉2 = 0,9658 pu Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa penambahan komponen Reactor Shunt dapat menurunkan nilai tegangan pada beban, sehingga dapat menanggulangi kondisi overvoltage pada sistem tenaga listrik. Hal ini terjadi karena Reactor Shunt berfungsi untuk mengkompensasi daya reaktif (VAR) dari jaringan transmisi dengan mengatur level tegangan pada jaringan. Secara tidak langsung Reactor Shunt berfungsi untuk menyerap daya reaktif bus (menurunkan nilai tegangan beban) apabila bus tersebut dalam kondisi overvoltage.



D. Penambahan Line Transmission Pada percobaan ini, praktikan menambahkan Line Transmission (Pi Line) sebanyak 2 buah di setiap Line yang sudah ada dengan cara memparalelkannya. Percobaan pertama dilakukan penambahan 2 Pi Line secara paralel pada Line 1. Output yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 7. Dari gambar tersebut, perubahan nilai tegangan pada beban 1 dan



nilai tegangan pada beban 2 sangat kecil yaitu sekitar 0,001. Hal ini dikarenakan posisi Line 1 tidak terhubung secara langsung dengan beban ataupun generator sehingga peningkatan tegangan sangat kecil. Kondisi ketika ditambahkan paralel Pi Line pada Line 1 : 𝑉1 = 0,8452 pu 𝑉2 = 0,8176 pu Percobaan kedua dilakukan penambahan 2 Pi Line secara paralel pada Line 1, 2 dan 3. Output yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 8. Dari gambar tersebut, perubahan nilai tegangan pada beban 1 dan tegangan pada beban 2 cukup besar yaitu 0,0842 dan 0,091. Hal ini dikarenakan posisi Line 2 dan Line 3 terhubung secara langsung dengan beban sehingga peningkatan tegangan cukup besar.



E. Cara Menanggulangi Undervoltage



Ketika



Busbar



Beban



Ketika busbar beban dalam kondisi undervoltage, maka dapat dilakukan beberapa cara guna menanggulangi kondisi tersebut sebagai berikut : 1. Penambahan komponen Capacitor Bank pada beban yang mengalami undervoltage. 2. Penambahan Line Transmission yang dihubungkan secara paralel pada Line.



F. Cara Menanggulangi Overvoltage



Ketika



Busbar



Beban



Kondisi ketika ditambahkan paralel Pi Line pada Line 1, 2 dan 3: 𝑉1 = 0,9293 pu 𝑉2 = 0,9076 pu



Ketika busbar beban dalam kondisi overvoltage, maka dapat dilakukan dengan cara penambahan komponen Reactor Shunt pada beban yang mengalami overvoltage.



Percobaan ketiga dilakukan penambahan 2 Pi Line secara paralel pada Line 1, 2, 3 dan 4. Output yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 9. Dari gambar tersebut, perubahan nilai tegangan pada beban 1 dan tegangan pada beban 2 semakin besar dibandingkan dengan sebelumnya, yaitu 0,0982 dan 0,1174. Hal ini dikarenakan posisi Line 2, Line 3 dan Line 4 terhubung secara langsung dengan beban sehingga peningkatan tegangan cukup besar.



G. Cara Mendapatkan Nilai Kapasitansi yang Dibutuhkan Capacitor Bank Apabila Beban dalam Kondisi Undervoltage



Kondisi ketika ditambahkan paralel Pi Line pada Line 1, 2, 3 dan 4 : 𝑉1 = 0,9435 pu 𝑉2 = 0,9351 pu Dari semua data tersebut dapat disimpulkan bahwa penambahan Line Transmission pada sistem tenaga listrik akan meningkatkan nilai tegangan pada beban. Hal ini terjadi karena impedansi yang dihubungkan secara paralel menghasilkan impedansi yang nilainya setengah dari nilai impedansi awalnya (sesuai teorema seri-paralel resistor). Penurunan nilai impedansi akan berpengaruh terhadap drop tegangan sehingga akan menaikan nilai tegangan pada beban. Semakin banyak penambahan Transmission Line secara seri, maka impedansi akan semakin besar sehingga drop tegangan juga akan semakin besar yang mengakibatkan nilai tegangan beban akan semakin kecil. Namun semakin banyak penambahan Transmission Line secara paralel, maka impedansi akan semakin kecil sehingga drop tegangan juga akan semakin kecil yang mengakibatkan nilai tegangan beban akan semakin besar. Jadi penambahan jalur transmisi secara paralel dimaksudkan agar drop tegangan yang terjadi semakin kecil dan tegangan beban semakin besar, sehingga dengan penambahan jalur transmisi secara paralel dapat menanggulangi kondisi undervoltage pada sistem tenaga listrik.



Ketika beban dalam kondisi undervoltage, maka dapat dilakukan dengan penambahan komponen Capacitor Bank pada beban yang mengalami undervoltage. Cara mendapatkan nilai kapasitansi yang dibutuhkan yaitu dengan cara mengatur nilai Capacitive Reactive Power (QC) yang sesuai. Capacitor Bank melawan daya reaktif positif yang ditimbulkan oleh beban induktif, secara tidak langsung Capacitor Bank berfungsi sebagai penyuplai daya reaktif sehingga akan memperbaiki nilai faktor daya (cos phi) sistem tersebut yang akan berpengaruh pada kenaikan tegangan pada beban. Besar kapasitansi pada Capacitor Bank berbanding lurus dengan besar tegangan pada beban. Semakin besar nilai kapasitansi akan semakin besar juga nilai tegangan pada beban.



IV. SIMPULAN Dari praktikum modul 3 ini, didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut :  Capacitor Bank berfungsi untuk menanggulangi kondisi undervoltage pada sistem tenaga listrik dengan cara menyuplai daya reaktif bus.  Reactor Shunt berfungsi untuk menanggulangi kondisi overvoltage pada sistem tenaga listrik dengan cara menyerap daya reaktif bus.  Penambahan Line Transmission secara paralel berfungsi untuk menanggulangi kondisi drop voltage sehingga meningkatkan nilai tegangan pada beban.



REFERENSI [1] Modul Praktikum Sistem Tenaga Elektrik, Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2014. [2] Grainger, John J dkk, Power System Analysis, International Edition, Singapore, 1994.