MODUL PRAKTIKUM SISTEM TENAGA LISTRIK
LABORATORIUM SISTEM TENAGA LISTRIK DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA 2011
2011
PERCOBAAN I PENGENALAN ETAP I. Tujuan Percobaan 1. Mempelajari fungsi ETAP dalam sistem tenaga listrik 2. Mempelajari
cara
membuat
diagram
saluran
tenaga
listrik
dengan
menggunakan ETAP
II. Dasar Teori ETAP (Electric Transient and Analysis Program) merupakan suatu perangkat lunak yang mendukung sistem tenaga listrik. Perangkat ini mampu bekerja dalam keadaan offline untuk simulasi tenaga listrik, online untuk pengelolaan data real-time atau digunakan untuk mengendalikan sistem secara real-time. Fitur yang terdapat di dalamnya pun bermacam-macam antara lain fitur yang digunakan untuk menganalisa pembangkitan tenaga listrik, sistem transmisi maupun sistem distribusi tenaga listrik. Analisa tenaga listrik yang dapat dilakukan ETAP antara lain : a. Analisa aliran daya b. Analisa hubung singkat c. Arc Flash Analysis d. Analisa kestabilan transien, dll. Dalam menganalisa tenaga listrik, suatu diagram saluran tunggal (single line diagram) merupakan notasi yang disederhanakan untuk sebuah sistem tenaga listrik tiga fasa. Sebagai ganti dari representasi saluran tiga fasa yang terpisah, digunakanlah sebuah konduktor. Hal ini memudahkan dalam pembacaan diagram maupun dalam analisa rangkaian. Elemen elektrik seperti misalnya pemutus rangkaian, transformator, kapasitor, bus bar maupun konduktor lain dapat ditunjukkan dengan menggunakan simbol yang telah distandardisasi untuk diagram saluran tunggal. Elemen pada diagram tidak mewakili ukuran fisik atau lokasi dari peralatan listrik, tetapi merupakan konvensi umum untuk mengatur diagram dengan urutan kiri-ke-kanan yang sama, atas-ke-bawah, sebagai saklar atau peralatan lainnya diwakili. ETAP memiliki 2 macam standar yang digunakan untuk melakukan analisa kelistrikan, ANSI dan IEC. Pada dasarnya perbedaan yang terjadi di antara kedua standar tersebut adalah frekuensi yang digunakan, yang berakibat pada perbedaan
2
2011 spesifikasi peralatan yang sesuai dengan frekuensi tersebut. Simbol elemen listrik yang digunakan dalam analisa dengan menggunakan ETAP pun berbeda.
Gambar 1.1 Elemen standar ANSI
Beberapa elemen yang digunakan dalam suatu diagram saluran tunggal adalah : a. Generator Merupakan mesin listrik yang berfungsi untuk menghasilkan tenaga listrik.
Gambar 1.2 Simbol Generator di ETAP b. Transformator Berfungsi untuk menaikkan maupun menurunkan tegangan dengan rasio tertentu sesuai dengan kebutuhan sistem tenaga listrik.
Gambar 1.3 Simbol Transformator di ETAP
3
2011 c. Pemutus Rangkaian Merupakan sebuah saklar otomatis yang dirancang untuk melindungi sebuah rangkaian listrik dari kerusakan yang disebabkan oleh kelebihan beban atau hubungan pendek.
Gambar 1.4 Simbol pemutus rangkaian di ETAP d. Beban Di ETAP terdapat dua macam beban, yaitu beban statis dan beban dinamis.
Gambar 1.5 Simbol beban statis di ETAP
III. Prosedur Percobaan A. Membuat One-Line Diagram sederhana 1. Susun rangkaian seperti gambar di bawah ini 2. Untuk cara merangkainya, perhatikan penjelasan dari asisten terlebih dahulu
Gambar 1.6 Single Line Diagram
3. Masukkan setiap nilai atau rating elemen seperti yang tertera pada gambar. 4. Bila ada parameter elemen yang kurang jelas tanyakan pada asisten.
4
2011 5. Bila sudah selesai, simpan file ke dalam folder yang lokasinya ditentukan oleh asisten. 6. Tutup program ETAP.
B. Membuat Composite Network 1. Buka file ETAP yang telah disimpan sebelumnya. 2. Hapus atau cut elemen “Network1” pada gambar bagian A. 3. Tambahakan rangkaian elemen seperti gambar di bawah ini.
Gambar 1.7 Single Line Diagram
4. Hubungkan elemen tambahan tersebut ke dalam one-line diagram sebelumnya. 5. Buat composite Networknya untuk rangkaian tambahan tersebut. 6. Bila sudah selesai, praktikan boleh bertanya-tanya atau membuat rangkaian sendiri sambil menunggu praktikan yang lain selesai.
C. Membuat one line diagram dan composite network sendiri Tanyakan pada asisten untuk gambar one line diagram yang harus didisain. IV. Tugas dan Pertanyaan 1. Apa yang anda ketahui mengenai ANSI dan IEC! 2. Sebutkan contoh jenis beban dinamis! 3. Apakah yang dimaksud dengan lumped load? 4. Apa yang anda ketahui mengenai swing generator?
5
2011
MODUL 2 ANALISA ALIRAN DAYA (LOAD FLOW ANALYSIS)
I.
TUJUAN PERCOBAAN 1. Mempelajari konsep aliran daya dalam sistem tenaga listrik. 2. Menganalisa masalah-masalah airan daya pada sistem tenaga listrik.
II.
DASAR TEORI Percobaan aliran daya ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik aliran daya yang berupa pengaruh dari variasi beban dan rugi-rugi transmisi pada aliran daya dan juga mempelajari adanya tegangan jatuh di sisi beban . Aliran daya pada suatu sistem tenaga listrik secara garis besar adalah suatu peristiwa daya yang mengalir berupa daya aktif (P) dan daya reaktif (Q) dari suatu sistem pembangkit (sisi pengirim) melalui suatu saluran atau jaringan transmisi hingga sampai ke sisi beban (sisi penerima). Pada kondisi ideal, maka daya yang diberikan oleh sisi pengirim akan sama dengan daya yang diterima beban. Namun pada kondisi real, daya yang dikirim sisi pengirim tidak akan sama dengan yang diterima beban. Hal ini dipengaruhi oleh beberapa hal: 1. Impedansi di saluran transmisi. Impedansi di saluran transmisi dapat terjadi karena berbagai hal dan sudah mencakup resultan antara hambatan resistif, induktif dan kapasitif. Hal ini yang menyebabkan rugi-rugi daya karena terkonversi atau terbuang menjadi energy lain dalam transfer energi.
2. Tipe beban yang tersambung jalur. Ada 3 tipe beban, yaitu resistif, induktif, dan kapasitif. Resultan antara besaran hambatan kapasitif dan induktif akan mempengaruhi P.F. sehingga
6
2011 mempengaruhi perbandingan antara besarnya daya yang ditransfer dengan yang diterima. Sedangkan untuk melakukan kalkulasi aliran daya, terdapat 3 metode yang biasa digunakan: 1. Accelerated Gauss-Seidel Method
Hanya butuh sedikit nilai masukan, tetapi lambat dalam kecepatan perhitungan.
2. Newton Raphson Method
Cepat dalam perhitungan tetapi membutuhkan banyak nilai masukan dan parameter.
First Order Derivative digunakan untuk mempercepat perhitungan.
3. Fast Decoupled Method
Dua set persamaan iterasi, antara sudut tegangan, daya reaktif dengan magnitude tegangan
Cepat dalam perhitungan namun kurang presisi
Baik untuk sistem radial dan sistem dengan jalur panjang
7
2011 III.
PERALATAN PERCOBAAN Satu Buah PC dengan instalasi ETAP 6.0
IV.
PROSEDUR PERCOBAAN: Percobaan 1 a) Buat one line diagram dengan susunan seperti gambar di bawah ini. PG
T1
Lumped Load
b) Isi Rating berdasarkan data yang telah ditentukan asisten: a. Power Grid MVAsc X/R b. Kabel Length Size c. Transformator (T1) Vp dan Vs Nilai MVA Typical X/R d. Beban (Lump Load) Nilai MVA % PF % Load Type
8
2011 c) Pasang HV Circuit Breaker pada one line diagram yang telah diberi rating tersebut! d) Gunakan metode Newton Rhapson! e) Jalankan Loadflow analysis melalui button “Run Load Flow”! f) Catat Aliran daya yang mengalir pada bus, bus angle, Voltage Drop pada line/cable, dan branch losses! (ubah pengaturan tampilan hasil melalui “display option”)
Percobaan 2 a) Kembangkan one line diagram pada percobaan 1 menjadi seperti gambar dibawah ini!
b) Isi Composite network dengan one line diagram di bawah ini
9
2011 c) Berikan Rating pada Transformator, Kabel, Motor induksi, Serta Beban-bean yang telah ditentukan oleh asisten! d) Jalankan Load flow analysis seperti pada percobaan 1! e) Catat aliran daya pada one diagram tersebut dan bandingkan hasilnya dengan percobaan 1!
V.
PERTANYAAN Analisa perbandingan aliran daya pada bus 1 dan 3 pada percobaan pertama dengan kedua Apa yang menyebabkan perbedaan besaran aliran daya pada setiap percabangan? Dari hasil aliran daya yang ditampilkan , apa yang menyebabkan perbedaan bus voltage dan bus angle? Apa yang menyebabkan voltage drop pada sistem? Melalui tombol “Alert View”, analisa apa yang terjadi pada kondisi critical dan marginal? Mengapa hal tersebut dapat terjadi? Dan apa yang dapat dilakukan untuk mengatasi masalah tersebut?
10
2011
PERCOBAAN III SHORT CIRCUIT ANALYSIS
I. Tujuan Percobaan 1. Mempelajari karakteristik arus gangguan 2. Mempelajari simulasi gangguan pada ETAP 6.0 3. Mempelajari manfaat analisa gangguan
II. Dasar Teori Pada suatu sistem tenaga listrik tidak dapat dihindari adanya gangguan, walaupun sudah didesain sebaik mungkin. Hal ini dapat disebabkan oleh kerusakan isolasi pada sistem tenaga listrik ataupun gangguan dari luar seperti dahan pohon dan sebagainya yang mengakibatkan terjadinya hubung singkat. Adanya hubung singkat menimbulkan arus lebih yang pada umumnya jauh lebih besar daripada arus pengenal peralatan dan terjadi penurunan tegangan pada sistem tenaga listrik, sehingga bila gangguan tidak segera dihilangkan dapat merusak peralatan dalam sistem tersebut. Besarnya arus hubung singkat yang terjadi sangat diperngaruhi oleh jumlah pembangkit yang masuk pada sistem, letak gangguan dan jenis gangguan. Berdasarkan jenis arus gangguannya, gangguan pada sistem tenaga listrik dibagi menjadi dua bagian yaitu gangguan simetris dan gangguan tak simetris. Yang dimaksud dengan gangguan simetris adalah gangguan yang arus gangguannya seimbang dan sebaliknya gangguan tak simetris adalah gangguan yang arus gangguannya tak seimbang.
11
2011 III. Prosedur Percobaan a. Rangkaian Percobaan
Gambar 3.1 Rangkaian Analisa Gangguan
b. Alat 1. 1 buah PC ETAP 6.0 installed
c. Percobaan gangguan tiga fasa dengan tidak ada arus beban 1. Buat rangkaian sesuai dengan gambar 3.1 dengan menggunakan ETAP 6.0 2. Tulis rating generator, circuit breaker dan kabel yang ada pada gambar seperti yang telah disediakan. 3. Buka semua circuit breaker yang mengarah ke beban 4. Amati arus yang mengalir pada rangkaian percobaan dengan menggunakan load flow analysis 5. Kemudian berikan gangguan pada bus dengan menggunakan short circuit study case. 6. Amati arus gangguan yang terjadi. 7. Catat besarnya arus gangguan. 8. Periksa Short Circuit Analysis View 9. Ulangi percobaan dengan menutup circuit breaker dari gen2.
d. Percobaan gangguan tiga fasa dengan adanya arus beban 1. Buat rangkaian sesuai dengan gambar 3.1 dengan menggunakan ETAP 6.0
12
2011 2. Tulis rating generator, circuit breaker dan kabel yang ada pada gambar seperti yang telah disediakan. 3. Tutup semua circuit breaker yang mengarah ke beban 4. Amati arus yang mengalir pada rangkaian percobaan dengan menggunakan load flow analysis 5. Kemudian berikan gangguan pada bus dengan menggunakan short circuit study case. 6. Amati arus gangguan yang terjadi. 7. Catat besarnya arus gangguan. 8. Periksa Short Circuit Analysis View 9. Ulangi percobaan dengan menutup circuit breaker dari gen2.
IV. Tugas dan Pertanyaan 1. Bandingkan bagaimana arus yang mengalir pada saat sebelum terjadinya gangguan dengan arus setelah terjadinya gangguan ! Mengapa demikian? 2. Bagaimana keadaan arus gangguan pada saat sistem tanpa beban dan pada saat sistem berbeban? Mengapa demikian? Jelaskan! 3. Bandingkan bagaimana arus yang mengalir pada saat hanya 1 generator yang bekerja dengan ketika 2 generator bekerja! 4. Berilah kesimpulan berkaitang dengan percobaan ini.
13
2011
BAB IV STARTING MOTOR INDUKSI
I. Tujuan Percobaan Mensimulasikan dan menganalisa kondisi dan voltage drop saat starting motor induksi dengan menggunakan perangkat lunak ETAP 6.0.0. II. Dasar Teori Selama periode waktu starting, motor pada sistem akan dianggap sebagai sebuah impedansi kecil yang terhubung dengan sebuah bus. Motor akan mengambil arus yang besar dari sistem, sekitar enam kali arus ratingnya, dan bisa menyebabkan voltage drop pada sistem serta menyebabkan gangguan pada operasi beban yang lain. Torsi percepatan motor bergantung pada tegangan terminal motor, oleh karena itu untuk motor dengan tegangan terrminal yang rendah di beberapa kasus akan menyebabkan starting motor tidak akan mencapai nilai kecepatan ratingnya. Data-data yang diberikan oleh pabrik untuk operasi full load motor biasanya berupa : tegangan line to line (V), arus line (A), output daya P o (kW), power factor cosø (per unit), efisiensi η (per unit atau percent), slip s (per unit atau percent). Dengan memeriksa nilai impedansi motor atau data dari pabrik, dapat kita lihat nilai arus starting bervariasi antara 3,5 kali arus full-load untuk motor tegangan tinggi dan sekitar 7 kali arus full-load untuk tegangan rendah. Selain itu arus starting bisa dihitung dari rangkaian ekivalen dengan menset nilai slip nol. Setelah didapat nilai arus starting maka nilai starting kVA dan PF bisa didapat. Variasi arus starting terhadap kecepatan untuk motor 22 kW dan 200 kW diperlihatkan grafik di bawah ini
14
2011
Sebagian besar beban-beban mekanik di industri diklasifikasikan ke dalam 2 grup yaitu : torsi kuadratik versus kecepatan dan torsi konstan versus kecepatan Karakteristik kuadratik ada pada beban seperti pompa sentrifugal, kompressor sentrifugal, kipas, dan lain-lain. Secara umum karakteristiknya ada dua yaitu bagian statik dan bagian dinamik. Bagian statik menghitung torsi inisial yang dibutuhkan saat kecepatan nol dan kecepatan sangat rendah. Sekitar 5 sampai 15 % torsi full-load dibutuhkan untuk menggerakkan batang. Torsi inisial ini biasa disebut stiction. Jika batang mulai berotasi torsi ini berkurang. Saat kecepatannya di atas sekitar 10%, torsi statik bisa diabaikan. Bagian dinamik torsi berhubungan dengan energi yang dibutuhkannya. Karkteristik dinamiknya dapat dirumuskan Tdynamic = KN2
di mana N adalah kecepatan batang
Sebagian besar pompa sentrifugal dan kompressor sentrifugal di start saat kondisi no-load. Artinya mesin membutuhkan energi dan torsi minimum dari motor. Torsi full-speed untuk operasi no-load antara 40% - 60% torsi full-load. Untuk beban dengan karakteristik torsi konstan versus kecepatan seperti conveyor, lifting, crushers, dan lain-lain. Dari kecepatan nol ke kecepatan penuh, torsinya tetap konstan. Mesin tipe ini sulit untuk start dan mencapai kecepatan penuhnya. Beban seperti ini biasanya menggunakan motor tipe double cage, yang rotornya mempunyai dua lilitan rotor, satu di luar, satu di dalam dalam satu slot atau
15
2011 slot yang terpisah. Dengan memilih rasio X per R untuk lilitan ini, membuat motor bisa menghasilkan dua torsi untuk slip tertentu. Kombinasi torsi bisa konstan selama periode acceleration. Namun, yang perlu diperhatikan harus dijamin juga bahwa motor memiliki torsi yang cukup untuk mempercepat beban saat tegangan terminalnya jatuh. Terdapat beberapa metode yang digunakan untuk mengurangi arus starting dari suplai. Saat starting, tegangan bus akan turun untuk mencipatkan torsi yang cukup untuk mempercepat beban ke tegangan ratingnya. Waktu starting yang lama harus dihindari. Dengan waktu starting yang lama, misal 20 detik, maka jumlah panas yang dihasilkan di kumparan stator dan batang konduktor rotor harus diperhitungkan. Dengan suhu yang tinggi pada batang bisa menyebabkan kerusakan yang sangat signifikan pada motor tipe enclosure khususnya.
III. Percobaan III.1 Simulasi percobaan static starting mototr induksi III.2.Simulasi percobaan dinamic starting motor induksi
IV. Pertanyaan 1. Berikan alasan mengapa motor induksi merupakan jenis motor yang paling digunakan di industri? 2. Jelaskan efek “voltage dips” yang disebabkan oleh starting motor pada sistem! 3. Motor induksi 150 hp, 440 V, dengan kode huruf H, hitunglah arus startingnya! 4. Sebutkan dan jelaskan hal-hal yang mempengaruhi waktu starting motor ! 5. Sebutkan dan jelaskan 5 metode untuk melakukan starting motor induksi! 6.
Dynamic Modeling
7.
Syn. Motors, MV
8. The machine group consisting of all synchronous motors, which are medium voltage (rated above 1.0 kV). 9.
Syn. Motors, LV
10. The machine group consisting of all synchronous motors that are low voltage (rated less than or equal to 1.0 kV). 11.
Ind. Machines, MV
12. The machine group consisting of all induction machines that are medium voltage (above 1.0 kV). 13.
Ind. Machines, LV
14. The machine group consisting of all induction machines that are low voltage (rated less than or equal to 1.0 kV). 15.
Lumped Loads
16. This group consists of all lumped loads that are connected in the system. 17.
Do Not Model Dynamically
16
2011 18. If selected, the corresponding machine group will not be dynamically modeled in the transient stability study for this study case, regardless of dynamic models specified for individual machines. 19.
Model Machines Larger or Equal To
20. If selected, machines that are in the corresponding machine group and rated larger than the size specified in the HP/kW field will be dynamically modeled, and machines in the same group that are rated less than the size specified will not be dynamically modeled. 21. 22. Note: for the machine to be dynamically modeled, it should also have a dynamic model specified for it from its editor. 23.
HP/kW (for machines) or MVA (for lumped loads)
24. Specify the size of machines (HP or kW) or lumped loads (rated MVA) for the selected group to be dynamically modeled.
17
