TINJAUAN PUSTAKA
2.2. Landasan Teori
2.2.1. Dampak Harmonik Pada Sistem Tenaga Listrik
2.2.Landasan Teori
2.2.1. Dampak Harmonik Pada Sistem Tenaga Listrik
Harmonik pada sistem tenaga listrik dapat mempengaruhi kinerja peralatan listrik seperti: motor listrik, transformator dan lain-lain.
Beberapa tinjauan teoritis mengenai dampak harmonik pada peralatan teknik tersebut diatas.
1. Motor Listrik
Harmonisa arus atau tegangan menyebabkan peningkatan rugi-rugi pada belitan stator, rangkaian rotor serta laminasi stator dan rotor sehingga
efisiensi mesin menurun. Akibat efek kulit dan arus eddy, rugi-rugi ini lebih besar dibandingkan rugi-rugi yang disebabkan arus DC.
Medan bocor pada stator dan rotor juga menyebabkan rugi-rugi tambahan. Pada mesin induksi dan mesin sinkron, rugi-rugi panas tambahan paling banyak dibangkitkan pada rotor. Kemampuan mesin akan menurun akibat pemanasan berlebih karena harmonisa. Selain itu umur mesin juga akan menurun.
Pada motor induksi, harmonisa kelima yang merupakan komponen urutan negatif berputar dalam arah melawan komponen fundamental. Akibat harmonisa kelima, pada rotor akan dibangkitkan arus harmonisa yang frekuensinya sebanding dengan beda net frekuensi antara frekuensi fundamental celah udara dengan harmonisa kelima, dalam hal ini yaitu harmonisa keenam. Sedangkan harmonisa ketujuh yang merupakan komponen urutan positif, akan membangkitkan arus harmonisa pada rotor yang frekuensinya merupakan beda net antara frekuensi fundamental pada celah udara dan harmonisa ketujuh, atau dalam hal ini adalah frekuensi harmonisa keenam. Dengan demikian, harmonisa kelima dan ketujuh secara bersama-sama membangkitkan harmonisa keenam pada rotor. Demikian juga dengan pasangan harmonisa yang lain.harmonisa kesebelas dan ketigabelas bersama-sama membangkitkan harmonisa ketigabelas, dan seterusnya.
Panas tambahan yang diakibatkan harmonisa merupakan pengaruh paling serius pada mesin arus bolak-balik. Motor induksi rotor belitan mengalami
pemanasan yang lebih serius daripada jenis rotor sangkar. Untuk rotor sangkar, jenis deep-bar lebih terpengaruh daripada jenis standar. Mesin induksi dengan rotor sangkar lebih tahan terhadap pemanasan lebih pada rotor dibandingkan dengan mesin induksi rotor belitan. Pemanasan pada belitan umumnya lebih mendapat perhatian daripada pemanasan inti. Pemanasan akibat harmonisa dapat mengurangi kinerja hingga 90-90% dari kinerja apabila pada motor diaplikasikan gelombang sinusoidal murni.
2. Transformator
Dampak Pada transformator, rugi-rugi yang disebabkan harmonisa arus dan tegangan bergantung pada frekuensi. Peningkatan frekuensi menyebabkan peningkatan rugi-rugi. Harmonisa frekuensi tinggi akan lebih merupakan penyebabkan pemanasan utama dibandingkan harmonisa frekuensi rendah. Harmonisa arus menyebabkan peningkatan rugi-rugi tembaga dan rugi-rugi fluks. Sedangkan harmonisa tegangan menyebabkan peningkatan rugi-rugi besi bocor dan peningkatan stress pada isolasi. Efek keseluruhannya adalah pemanasan berlebih bila dibandingkan dengan operasi dengan gelombang sinus murni.
Rugi-rugi transformator dapat dibagi atas rugi-rugi berbeban dan rugi-rugi tanpa beban. Rugi-rugi berbeban dapat dibagi atas rugi belitan dan rugi-rugi bocor. Rugi-rugi-rugi bocor mencakup rugi-rugi-rugi-rugi arus eddy yang disebabkan kebocoran fluks magnetik dalam inti besi, belitan, klem inti, perisai (shield) magnetik, dinding rumah trafo, dan bagian-bagian struktural lainnya.
Sedangkan rugi-rugi bocor belitan mencakup rugi-rugi eddy current pada kawat konduktor dan rugi-rugi akibat arus sirkulasi antara rangkaian belitan yang paralel satu sama lain. Peningkatan rugi-rugi ini sebanding dengan kuadrat arus dan kuadrat frekuensi. Temperatur pada bagian-bagian struktural juga akan naik karena arus eddy, yang besarnya juga hampir sebanding dengan kuadrat arus dan kuadrat frekuensi. Untuk mendapatkan operasi yang aman, maka transformator harus memiliki rating yang lebih tinggi untuk mengantisipasi rugi-rugi tambahan akibat harmonisa. Besarnya rating tambahan yang dibutuhkan bergantung pada orde harmonisa yang muncul dan magnituda dari harmonisa tersebut.
Pada transformator daya, arus urutan nol yang bersirkulasi pada belitan delta dapat menyebabkan arus yang besar dan pemanasan berlebih. Dengan demikian, arus sirkulasi ini harus diperhitungkan keberadaannya pada saat perancangan. Untuk mengatasi pemanasan berlebih akibat harmonisa, seringkali perancang sistem memperbesar kapasitas daya transformator untuk memperbesar kapasitas pendinginan. Tetapi cara ini menimbulkan masalah lebih lanjut. Konduktor yang lebih besar menyebabkan pemanasan yang lebih besar juga yang diakibatkan harmonisa frekuensi tinggi. Selain itu, memperbesar kapasitas transformator berarti memperbesar arus harmonisa yang mungkin mengalir dalam sistem. Penurunan efisiensi transformator akibat harmonisa dapat mencapai sekitar 6%.
Ada kalanya, akibat kegagalan satu atau beberapa dioda (atau thyristor) suatu penyearah yang disuplai dari transformator, maka arus yang ditarik dari sumber mengandung komponen arus searah. Arus searah ini dapat meningkatkan magnituda semua komponen harmonisa dari arus eksitasi bolak-balik sehingga menambah tingkat pemanasan. Selain itu, transformator dapat terseret ke dalam daerah saturasi, sehingga dapat merusakkan transformator, mengaktifkan sistem proteksi, dan merusakkan komponen saklar statik pada konverter daya statik.
Pada transformator keluaran dari suatu konverter, transformator seringkali membangkitkan titik panas (hot spot) pada rumahan. Harmonisa juga menyebabkan peningkatan noise audio yang dibangkitkan transformator. 3. Kabel
Kabel dilibatkan dalam keadaan resonansi sistem yaitu yang diperlakukan untuk stres tegangan dan korona, dimana gampang mengakibatkan dieletrik atau kerusakan isolasi. Kabel juga akan terjadi panas yang berlebihan jika dialiri arus harmonisa tingkat tinggi.
Ada dua fenomena jika kabel dialiri arus harmonisa, yaitu skin effect dan
proximity termasuk mengakibatkan derating ukuran kabel. 4. Kapasitor
Pada jaringan sistem tenaga listrik seringkali digunakan kapasitor untuk mengkompensasi daya reaktif. Dalam kondisi normal, arus harmonisa mengalir dari sumber harmonisa menuju komponen-komponen lainnya dalam
sistem. Proporsi terbesar biasanya mengalir menuju sumber daya, yang biasanya memiliki impedansi paling rendah dalam sistem, dibandingkan dengan lintasan paralel lain misalkan beban. Walaupun demikian, harmonisa-harmonisa orde tinggi memiliki kecenderungan mengalir menuju kapasitor-kapasitor karena memiliki impedansi rendah pada frekuensi tinggi. Pada kondisi tertentu, dapat terjadi resonansi pada sistem, yang disebabkan interaksi antara arus harmonisa dengan impedansi yang dibentuk antara kapasitor, induktansi transformator (baik induktansi magnetisasi ataupun induktansi bocor). Arus lebih dan tegangan lebih yang disebabkan resonansi dapat menimbulkan pemanasan lebih pada kapasitor sehingga mengurangi umur kapasitor. Resonansi paralel terjadi bila arus harmonisa.
Penyearah-penyearah dioda memiliki dpf mendekati satu, sehingga tidak memerlukan perbaikan faktor daya untuk komponen fundamental. Penyearah terkendali (dengan thyristor) memiliki faktor daya yang besarnya bergantung pada sudut kelambatan penyalaan thyristor-thyristornya. Pemasangan kapasitor perbaikan faktor daya akan memperbaiki faktor daya fundamentalnya, tetapi memberikan lintasan pendek bagi arus harmonisa yang ditimbulkannya.
Resonansi paralel terjadi bila arus harmonisa menghadapi suatu impedansi tinggi. Impedansi tinggi dapat disebabkan oleh resonansi pada frekuensi harmonisa tersebut.
Resonansi juga dimungkinkan dengan komponen-komponen resonansi adalah induktansi sistem dengan kapasitansi beban, atau antara induktansi beban (dari ZL) dengan kapasitor kompensasi. Untuk mengetahui apakah terjadi kondisi resonansi, perlu dilakukan pengukuran harmonisa arus pada setiap beban dan sumber, bersama-sama dengan tegangan harmonisa pada bus. Bila arus yang mengalir ke dalam sistem kecil tetapi harmonisa tegangan tinggi, dapat dipastikan terjadi resonansi paralel pada sistem. Misalkan arus harmonisa yang tinggi mengalir pada beban, dan menimbulkan harmonisa tegangan pada bus PCC, maka telah terjadi resonansi antara kapasitor beban dengan induktansi sistem.
Resonansi seri terjadi apabila sumber harmonisa menghadapi suatu impedansi rendah. Impedansi yang terbentuk dari induktansi saluran atau induktansi bocor transformator serta kapasitor kompensasi faktor daya berpeluang menimbulkan rangkaian resonan.
5. Sistem Proteksi
Peralatan proteksi paling sederhana, yaitu fuse dan mini circuit breaker mengalami penurunan rating (derating) akibat pemanasan yang terjadi akibat harmonisa.
Harmonisa juga menyebabkan peningkatan pemanasan dan rugi-rugi pada switchgear, sehingga mengurangi kemampuan mengalirkan arus dan mempersingkat umur beberapa komponen isolator.
Relay proteksi umumnya tidak merespon semata-mata hanya terhadap satu parameter identifikasi, misalkan nilai efektif atau komponen frekuensi fundamental. Kinerja suatu relay proteksi pada suatu frekuensi tertentu bukan merupakan indikasi bagaimana relay tersebut akan merespon suatu gelombang cacat yang mengandung frekuensi tersebut. Dalam kasus relay proteksi, tidak berlaku prinsip superposisi. Relay dengan banyak masukan akan mengalami kondisi yang lebih sulit diperkirakan. Respon relay pada kondisi kuantitas yang terdistorsi dapat bervariasi, bergantung pada produsen dan waktu pembuatan (walaupun dari produsen yang sama), walaupun relay-relay yang diamati memiliki karakteristik frekuensi fundamental nominal yang sama.
Relay-relay yang bekerja berdasarkan secara elektromagnetik lebih sensitif daripada relay-relay yang bekerja secara elektromekanik. Relay elektromekanik memiliki inersia yang relatif besar, sehingga kurang sensitif terhadap harmonisa. Torka elektromagnetik yang dibangkitkan kadang-kadang berbalik arah, bergantung pada kandungan harmonisa.
Relay jarak, yang diset berdasarkan impedansi fundamental saluran transmisi, dapat mengalami kesalahan pengukuran akibat adanya harmonisa, khususnya harmonisa ketiga.
Relay-relay tegangan rendah solid-state model-model lama bereaksi terhadap nilai puncak gelombang. Model-model ini rawan terhadap kemunculan harmonisa, khususnya pada penyearah dengan kapasitor perata.
Relay-relay digital yang mengandalkan perlintasan nol rawan terhadap kehadiran harmonisa dan notching.
Secara umum, untuk kebanyakan relay, operasi tidak terpengaruh secara berarti untuk tingkat harmonisa di bawah 20%.
6. Tegangan Sistem
Arus sumber yang tidak berbentuk sinusoidal berpeluang menyebabkan terjadinya cacat tegangan pada tegangan jala-jala. Dalam domain waktu, fenomena cacat tegangan berupa puncak dan lembah yang terpotong dapat dijelaskan sebagai berikut : arus yang ditarik dari sumber hanya mengalir ketika gelombang tegangan berada di sekitar puncak dan lembah. Dengan demikian, jatuh tegangan pada feeder juga hanya terjadi ketika tegangan berada di sekitar puncak dan lembah. Jatuh tegangan ini ditandai dengan pemotongan (clipping) tegangan yang hanya terjadi di sekitar puncak dan lembah.
Dalam domain frekuensi, fenomena cacat tegangan dapat dijelaskan sebagai berikut : arus sumber terdiri atas komponen – komponen sebagaimana tersirat dalam persamaan (3) di atas. Dari persamaan tersebut, tampak bahwa arus terdiri atas komponen – komponen dengan frekuensi fundamental (50Hz) beserta kelipatan bulatnya. Dalam sebagian besar kasus, komponen yang muncul hanyalah komponen kelipatan ganjilnya saja, sehingga komponen
arus harmonisa yang muncul memiliki frekuensi 150Hz, 250Hz, 350Hz, 450Hz dan seterusnya.
7. Sistem Pengukuran
Peralatan-peralatan ukur untuk sistem arus bolak-balik dikalibrasikan terhadap gelombang bolak-balik sinusoidal murni. Penggunaan alat ukur untuk pengukuran gelombang yang mengandung harmonisa berpeluang mengandung kesalahan pengukuran, khususnya ketika terjadi kondisi resonansi dimana terjadi arus atau tegangan yang tinggi.
Alat ukur energi yang paling popular adalah dari jenis piringan induksi. Ketelitian kWh meter jenis ini terbatas pada frekuensi fundamentalnya saja Daya total yang semestinya diukur oleh meter adalah :
Daya searah Pdc tidak akan terukur oleh meter, tetapi meter akan sensitif terhadap keberadaannya. Daya fundamental P1 akan terukur secara akurat. Daya harmonisa Pharmonisa tidak akan terukur secara akurat karena keterbatasan respon frekuensi meter. Daya harmonisa total didapat dengan menjumlahkan semua komponen suku-suku hasil perkalian tegangan dan arus serta beda sudutnya pada frekuensi harmonisa yang sama. Setiap daya searah Pdc yang muncul akan menyebabkan kesalahan sebanding dengan rasio Pdc/PT, dengan tanda kesalahan bergantung pada arah aliran daya. Demikian pula dengan daya harmonisa Pharmonisa yang muncul akan menyebabkan kesalahan yang dinyatakan dengan
T harmonisa
P P
karakteristik respon frekuensi meter. Tanda kesalahan bergantung pada arah aliran daya.
Daya searah dan daya harmonisa akan mengurangi kemampuan meter untuk mengukur daya frekuensi fundamental. Arus searah menyebabkan distorsi fluks dan menggeser daerah kerja permeabilitas pada komponen magnetik. Fluks yang dibangkitkan harmonisa, bersama-sama dengan fluks liar pada frekuensi yang sama menghasilkan torka sekunder pada piringan.
Konsumen yang membangkitkan harmonisa pada jaringan sistem tenaga akan terbebani dengan tagihan konsumsi energi yang lebih besar, sementara kerugian untuk penyedia adalah rugi-rugi jaringan yang meningkat.
Pada kWh meter jenis piringan induksi, ketidakseimbangan fasa yang disebabkan harmonisa juga menyebabkan kesalahan pengukuran.
Pengukuran tegangan atau arus yang cacat dengan menggunakan meter-meter PMMC standar menunjukkan penyimpangan yang hingga beberapa persen. Penyimpangan yang sangat besar (bisa mencapai puluhan persen, terutama bila bentuk gelombang berupa impuls-impuls pendek bolak-balik) terjadi pada meter-meter digital murah. Pada meter-meter digital murah, gelombang bolak-balik diukur dengan menyearahkannya terlebih dahulu, kemudian dilakukan penapisan secara sederhana dengan kapasitor perata. Akibatnya, meter hanya akan sensitif terhadap nilai puncak gelombang, dan bukannya nilai efektif gelombang. Transformator arus untuk pengukuran dan relay proteksi, tidak terpengaruh oleh tingkat harmonisa yang umum terjadi.
Pengukuran faktor daya secara konvensional di industri umumnya adalah pengukuran dalam bandwidth yang sempit, sehingga pembacaan yang ditunjukkan adalah mendekati dpf (perhatikan bahwa dpf hanya mencakup komponen - komponen fundamentalnya saja).
Keberadaan harmonisa juga menimbulkan permasalahan pada pengukuran daya reaktif, karena meter-meter yang umum digunakan di lapangan dikalibrasikan untuk bentuk gelombang arus dan tegangan sinusoidal.
2.2.2. Dampak Harmonik Terhadap Standar Energi dan Kebijakan Energi 1. Di negara-negara maju seperti Amerika, Eropa, Selandia Baru, Australia,
Jepang, dan lain-lain telah ditetapkan suatu standar yang mengatur tingkat harmonisa yang dibangkitkan oleh peralatan atau tingkat harmonisa yang diperkenankan berada dalam sistem. Sebagai contoh, di Amerika diberlakukan standar IEEE 519-1992 sedangkan di Eropa diterapkan standar IEC 1000-3-2.
2. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, kehadiran harmonisa telah menyebabkan perubahan dalam cara pandang terhadap daya aktif dan daya reaktif serta introduksi term daya distorsi. Untuk masa mendatang, perlu dipikirkan apakah perusahaan power provider menerapkan tarif bagi :
1) Tagihan konsumsi energi (energy charge) berbasis KVAH 2) Daya aktif fundamental atau daya aktif total (W)
3) Daya reaktif fundamental atau daya reaktif total (Q) 4) Daya distorsi (D)
Berkaitan dengan perhitungan faktor daya, perlu juga dipertimbangkan apakah power provider menerapkan perhitungan untuk faktor penalti/insentif berdasarkan konsep true power factor ataukah displacement power factor. Penetapan metoda perhitungan yang akan diambil, pada akhirnya akan bermuara pada ketersediaan teknologi, dalam hal ini teknologi instrumentasi/pengukuran yang sesuai. Penerapan teknologi lama (elektromekanik) perlu digantikan dengan teknologi instrumentasi berbasis mikroprosesor dan DSP yang saat ini telah semakin murah.
2.2.3. Dampak Harmonik Terhadap Pelanggan