Harmonisa arus yang terdapat pada sistem distribusi tenaga listrik disebabkan karena adanya beban-beban non linier yang terhubung pada sistem tersebut.
Umumnya jenis beban non linier yang banyak terdapat pada sistem tenaga listrik adalah berupa peralatan-peralatan listrik satu fasa berbasis elektronik yang mempunyai karakteristik non linier. Akibatnya bentuk gelombang arus jala-jala sistem yang menjadi terdistorsi (non sinusoidal), sehingga arus jala-jala sistem banyak mengandung harmonisa.
Sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa empat kawat yang memasok beban-beban non linier dapat dimodelkan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.6. Akibat beban non linier satu fasa yang terhubung pada sistem, maka arus jala-jala sistem menjadi terdistorsi. Dari analisis deret Fourier, arus jala-jala sistem yang terdistorsi ini akan terdiri dari komponen-komponen harmonisa arus urutan positip (termasuk komponen arus fundamentalnya), komponen harmonisa arus urutan negatip dan komponen harmonisa arus urutan nol. Arus jala-jala sistem ini didominasi oleh komponen harmonisa arus urutan nol atau orde ke-3.
Gambar 2.6. Sistemtenagalistrik tiga fasadenganbebannon linier[17]
Komponen-komponen harmonisa arus urutan nol yang dibangkitkan dari beban-beban non linier satu fasa secara kumulatif mengalir melalui kawat netral
Beban non lin
Sumber 3
sistem. Dengan demikian, apabila arus jala-jala sistem mempunyai kandungan komponen harmonisa arus urutan nol yang tinggi, maka arus netral sistem akan menjadi sangat berlebihan. Hal ini merupakan salah satu permasalahan utama akibat harmonisa arus pada sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa empat kawat, selain rendahnya faktor daya sistem akibat adanya harmonisa arus.
2.7. StandarisasiHarmonisa
Harmonisa arus yang terinjeksi ke dalam sistem tenaga listrik dapat menimbulkan efek yang merugikan pada peralatan sistem tenaga listrik terutama pada kapasitor,transformator, dan menyebabkan pemanasan dan pembebanan berlebih pada motor. Harmonisa juga menyebabkan interferensi pada saluran telekomunikasi dan juga kesalahan pembacaan alat ukur listrik. Selanjutnya, harmonisa arus sumber yang terbangkitkan tidak mengalirkan daya nyata (P) ke beban, tetapi malah menghasilkan resonansi maupun penguatan harmonisa pada sistem distribusi.
Dengan semakin meningkatnya penggunaan beban-beban non linier maka semakin tinggi tingkat kandungan harmonisa arus yang terdapat pada arus jala-jala sistem. Hal ini ini akan membuat sistem semakin rentan terhadap permasalahan dan gangguan akibat harmonisa arus. Beberapa badan intemasional telah memberikan suatu batasan kandungan harmonisa yang diizinkan untuk suatu sistem tenaga listrik salah satunya dituangkan dalam rekomendasi praktis batasan harmonisa IEEE 519 Standart tahun 1992.
IEEE 519-1992 mengatur batas injeksi harmonisa arus dari bagian akhir pengguna listrik sehingga tingkat harmonisa tegangan pada keseluruhan sistem masih dapat diterima. Harmonisa diukur dengan melihat THD (Total Harmonic Distortion) yang terkandung pada bentuk gelombang baik gelombang tegangan maupun arus. Namun hal ini sering menimbulkan kesalahan pemahaman seperti pada sistem ASD (Adjustable Speed Drives) menimbulkan THD arus input yang tinggi ketika bekerja pada beban yang kecil. Kondisi ini bukan merupakan kondisi yang kritis karena hanya menimbulkan harmonisa arus yang kecil walaupun tingkat distorsinya relatif tinggi. Untuk mengantisipasi hal ini, IEEE 519-1992 mendefinisikan suatu parameter baru yaitu TDD (Total Demand Distortion). Tidak jauh berbeda dengan THD, namun pada TDD mengekspresikan perbandingan total komponen harmonik terhadap arus beban nominal. TDD arus dirumuskan sebagai Persamaan (2.46)[10]:
ππππππ= οΏ½β πΌπΌβ
2
β
h =2
πΌπΌπΏπΏ Γ 100% ... (2.46)
dimana: IL adalah arus beban nominal.
IEEE 519-1992 merekomendasikan batas harmonisa arus seperti ditunjukkan pada Tabel 2.2 dinyatakan dalam TDD. ISC/IL adalah rasio arus hubung singkat pada PCC. ISC adalah arus ketika terjadi hubung singkat pada bagian input dari beban non linier. Pada sisi jaringan, karena distorsi tegangan harmonisa pada sistem di jaringan akan semakin besar akibat interaksi antara arus beban yang terdistorsi dan impedansi
sistem jaringan, maka kondisi jaringan juga akan mempengaruhi batas distorsi tegangan pada PCC[11].
Tabel 2.2. Batas harmonisa arus IEEE 519-1992 ISC/IL <11 11β€h<17 17β€h<23 23β€h<35 35β€h TDD <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
Standar IEEE 519-1992 juga merekomendasikan batas tegangan harmonisa ditunjukkan pada Tabel 2.3 yang memberikan komponen harmonisa maksimum dan THD tegangan. Untuk dapat memenuhi batasan ini, perlu adanya filter harmonisa yang efisien, reliabel, dan ekonomis.
Tabel 2.3. Batas tegangan harmonisa IEEE 519-1992 Bus Voltage at PCC Maximum Individual Harmonic
Component (%) Maximum THD (%) 69kV and Below 3 5 69.001kV Through 161kV 1,5 2,5 161.000kV and Above 1 1,5 2.8. Reduksi Harmonisa
Harmonisa menyebabkan distorsi pada sistem tenaga listrik pada berbagai tingkatan. Saat harmonisa telah menyebabkan distorsi yang cukup tinggi pada sistem
tenaga listrik maka diperlukan upaya untuk mengatasi atau mereduksi gejala harmonisa tersebut. Pertimbangan dalam melaksanakan upaya reduksi harmonisa dapat dilakukan setelah memperhatikan hal-hal berikut [1]:
1. Sumber harmonisa arus terlalu besar.
2. Penghantar aliran arus listrik terlampau panjang sehingga menyebabkan distorsi tegangan serta interferensi pada sinyal telekomunikasiyang tinggi. 3. Respon sistem yang memperkuat harmonisa ke tingkat di luar toleransi
lagi.
Ditinjau dari pengaruh negatip harmonisa arus yang timbul pada komponen-komponen sistem distribusi tenaga listrik pengaruh harmonisa arus tersebut dapat diatasi pada ke-tiga bagian sistem distribusi tenaga listrik yaitu :
1. Pengaruh negatip dari harmonisa arus diatasi di bagian komponen sistem yang merasakan langsung efek harmonisa arus tersebut.
2. Mengurangi atau meniadakan kandungan harmonisa pada bagian jala-jala sistem.
3. Menghilangkan harmonisa pada beban sebagai sumber harmonisa arus. Mengatasi pengaruh negatip dari harmonisa arus di bagian komponen sistem yang merasakan langsung efek harmonisa arus tersebut dapat dilakukan dengan cara derating seperti membebani atau mengoperasikan transformator dan generator di bawah rating nominalnya dan memperbesar ukuran konduktor netral sistem atau menggunakanbeberapa kawat konduktor netral yang terpisah untuk beban-bebannon linier. Cara derating seperti ini hanya dapat mencegah kerusakan akibat harmonisa
pada komponen yang bersangkutan saja, tetapi tidak mengurangi kandungan harmonisa pada sistem secara keseluruhan sehingga akibat harmonisa bentuk lainnya tidak dapat ditanggulangi.
Mengurangi atau meniadakan kandungan harmonisa umumnya dilakukan dengan memasang filter pasif maupun filter aktif pada bagian jala-jala sistem. Dengan cara ini arus input diupayakan kembali menjadi berbentuk gelombang
sinusoidal murni, sehingga mengurangi THD arus secara keseluruhan. Pada filter pasif, aliran harmonisa arus yang tidak diinginkan ke dalam sistem listrik dapat dicegah dengan menggunakan impedansi seri yang besar untuk memblokir atau dengan mengalihkan ke jalur impedansi shuntyang kecil. Secara sederhana dapat dikatakan filter pasif memberikan βjalanβ yang harus dilewati oleh harmonisa sehingga tidak mengalir ke sistem tenaga listrik dan beban lain [21]. Penggunaan filter pasif membutuhkan biaya yang relatif murah namun mempunyai kelemahan karena berpotensi berinteraksi dengan sistem tenaga akibat terjadinya resonansi paralel antara impedansi sistem dengan impedansi filter pasif pada frekuensi harmonisa yang malah dapat menimbulkan penguatan harmonisa. Sementara itu impedansi konfigurasi sistem yang berubah-ubah dan dinamika beban pada sistem tenaga akan menyulitkan dalam menentukan impedansi sistem sebagai dasar untuk menentukan impedansi filter yang tepat. Selain itu harmonisa yang difilter umumnya merupakan komponen harmonisa frekwensi orde rendah sehingga ukuran induktor L dan kapasitor C yang dibutuhkan menjadi besar dan berat. Untuk memfilter sejumlah
komponen harmonisa arus yang spesifik maka diperlukan sejumlah filter yang mempunyai frekuensi tala spesifik pula sehingga membutuhkan ruangan yang besar.
Filter aktif merupakan cara yang ideal dalam mengurangi harmonisa arus karena memberikan arus atau tegangan harmonisa yang berlawanan dengan harmonisa yang dibangkitkan oleh beban non linear sehingga saling menghilangkan. Namun karena filter aktif merupakan sebuah inverter PWM sumber arus, maka sulit untuk merealisasikannya dalam daya besar untuk respons arus yang cepat. Selain itu, pemasangan filter aktif membutuhkan biaya yang sangat mahal dibandingakan dengan filter pasif dan juga teknologinya belum well proven. Karena operasi filter aktif (inverter PWM) berdasarkan teknik pensaklaran elektronik, maka dikhawatirkan filter daya aktif juga akan menghasilkan harmonisa arus frekuensi orde tinggi yang menginjeksikannya melalui kapasitor-kapasitor yang terpasang pada sistem [12].
Cara yang paling efektif untuk mengatasi harmonisa pada sistem ditribusi tenaga listrik adalah dengan menghilangkan atau mengurangi kandungan harmonisa pada sumber harmonisa yaitu beban non linear. Cara ini dapat dilakukan dengan menempatkan penyearah-penyearah PWM di depan beban non linier sehingga dihasilkan arus masukan yang sinusoidal dan faktor daya mendekati satu. Selain itu dapat juga menggunakan penyearah-penyearah multi pulsa seperti penyearah 12 pulsa, 18 pulsa, 24 pulsa dan seterusnya. Namun topologi nya membutuhkan biaya mahal merupakan kekurangan dari metode ini sehingga tidak efektif untuk diaplikasikan pada tiap-tiap beban non linier.