ANALISA PENGARUH HARMONISA TERHADAP - Analisis Pengaruh Harmonisa Terhadap Panas Pada Belitantr

PADA BELITAN TRANSFORMATOR DISTRIBUSI

Bab ini menjelaskan tentang prosedur pengambilan data, persamaan yang digunakan, dan analisa

BAB V : PENUTUP

Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil studi.

BAB II

DASAR-DASARDISTORSI HARMONIK

2.1 Umum

Idealnya, pasokan listrikharusselalumenunjukkan sinyaltegangansinusoidalsempurnadi setiap lokasi pengguna tenaga listrik. Akan tetapi, peralatan sistem tenaga listrik sulit mempertahankan kondisi yang diinginkan karena terjadi deviasi gelombang tegangan dan arus dari bentuk sinusoidal. Hal ini disebut distorsi gelombang, sering dinyatakan distorsi harmonik [2].

Distorsi harmonikbukanlah hal yang barudanhal itu merupakansalah satuperhatian utama saat ini dalam sistem tenaga listrik. Distorsi harmonikterutama disebabkan olehkejenuhantrafo, tungku busurindustri,perangkatlain seperti lasbusurlistrik yang besar. Perhatian utamaadalah efek yangdistorsi harmonikbisa saja padamesin listrik, gangguantelepon danpeningkatan risikokesalahandari kondisitegangandikembangkanpadakapasitorkoreksifaktor daya.

Meningkatnya penggunaanbebannonlinierdalam industrimembuatdistorsi harmonikpadajaringan distribusimeningkat. Perangkatnonlinieryang palingmungkin adalahpenggunaankonverter dayastatis yang banyak digunakan dalam aplikasiIndutrial baja, kertas, tekstil dan sistem transportasilistrik.

Meningkatnyadistorsigelombangdalam jaringandistribusisangat dipengaruhi penggunaankapasitorbank pada industriuntuk koreksifaktor daya

6 Impedansireaktifyang dihasilkanmembentukrangkaiandengan sistemreaktansi induktifpada frekuensi tertentuakan bertepatandengan salah satuharmonikkarakteristikbeban. Iniakanmemicuarusosilasibesar danteganganyang mungkinmenekankanisolasi[2].

Untuk itu sangat diperlukanpenelitianharmonikdariperencanaan hinggatahapdesainsistem tenaga listrikdan instalasiindustriuntuk mengantisipasipotensi masalah denganinstalasiataupenambahanbebannonlinier.

2.2 Defenisi Harmonisa

Istilah "harmonik" berasaldaribidang akustik, di manahal tersebut terkait dengangetarandaristring ataukolom udarapada frekuensiyang merupakan kelipatandari frekuensidasar.Komponenharmonikdalam sistemlistrik ACdidefinisikansebagai komponensinusoidaldarigelombang periodikyang memilikifrekuensi sama denganbeberapa integer dari frekuensi fundamental sistem[2].

Harmonisa padagelombang tegangan atau aruskemudian dapatdipahami sebagaikomponensempurnasinusoidalfrekuensikelipatan darifrekuensi dasar.

= ( ) (2.1)

Dimana n adalah bilangan bulat.

Sebagai contoh, harmonikkelimaakan menghasilkankomponenharmonik : = 5 60 = 300

Frekuensi dasarnya adalah 60 Hz.

Gambar 2.1 menunjukkan sebuah gelombang dengan frekuensi dasar 50 Hz dengan nilai puncak 100 A, yang dapat diambilsebagai salah satuper unit. Hal

inijugamenggambarkanamplitudo(1/7), (1/5), dan(1/3) per unitdan frekuensitujuh, lima dan tigakalifrekuensi dasar, masing-masing.perilaku inimenunjukkankomponen harmonikpenurunanamplitudosering mengikutihukum yangterbalik denganurutanharmonikkhasdalam sistem tenaga [2].

Gambar 2.1 Gelombang sinusoidal 60 Hz dan beberepa harmonik.

Gambar 2.2 Gelombangsinosoidalterdistorsi olehharmonikketiga,kelima dan ketujuh

Gelombangini dapatdinyatakan dengan :

(2.2) (2.3)

= (5 − ) (2.4)

= (7 − )(2.5)

Dimana adalah nilai puncak RMS dari harmonisa arus ke n.

Gambar 2.2menunjukkan bentuk gelombangharmoniksama seperti yang diGambar 2.1ditumpangkan padafrekuensi dasar sehingga menghasilkan gelombang arus .

Gelombangterdistorsi yang dihasilkansehinggadapat dinyatakan sebagai Persamaan (2.6) :

= + (3 − ) + (5 − ) + (7 −

) (2.6)

Dengan cara ini,penjumlahangelombangsinusoidalsempurnadapat menimbulkangelombangterdistorsi. Sebaliknya, bentuk gelombangterdistorsidapat direpresentasikansebagaisuperposisigelombangfrekuensi dasardenganbentuk gelombanglain darifrekuensi harmonikyang berbeda danjuga amplitudonya[2].

Dari penjelasan di atas kita dapat simpulkan bahwa harmonisa adalah gangguan yang timbul akibat distorsi antara gelombang arus dan tegangan. Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul dari pengoperasian beban listrik yang sebagian besar diakibatkan dari beban non linear, dimana akan terbentuk gelombang yang berfrekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi fundamentalnya[3].

Di Indonesia frekuensi yang digunakan adalah 50 Hz, yang juga dikenal sebagai frekuensi fundamental. Gelombang fundamental tersebut dikatakan mengalami distorsi apabila frekuensi gelombang tersebut menjadi kelipatan frekuensi fundamentalnya, misalnya harmonisa ke-2 maka frekuensinya menjadi

100 Hz, harmonisa ke-3 menjadi 150 Hz, dan seterusnya. Gelombang harmonisa ini akan menumpang pada gelombang sinus murni (frekuensi fundamental) sehingga akan terbentuk cacat gelombang (distorsi) yang merupakan hasil penjumlahan sinus murni dengan gelombang harmonisa. Untuk mengetahui secara jelas proses penjumlahan ini dapat dilakukan analisa deret fourier.

Gambar 2.3 Gelombang Sinus Arus dan Tergangan

Gelombang non sinusoidal dapat terbentuk dengan menjumlahkan gelombang-gelombang sinusoidal, seperti terlihat pada Gambar2.4 [3].

Gambar 2.3 Gelombang Sinus Arus dan Tergangan

Gelombang non sinusoidal dapat terbentuk dengan menjumlahkan gelombang-gelombang sinusoidal, seperti terlihat pada Gambar2.4 [3].

Gambar 2.3 Gelombang Sinus Arus dan Tergangan

Gelombang non sinusoidal dapat terbentuk dengan menjumlahkan gelombang-gelombang sinusoidal, seperti terlihat pada Gambar2.4 [3].

10 Gambar 2.4 Gelombang Fundamental, Harmonik Ketiga dan Hasil

Penjumlahannya

2.3 Beban Linear dan Beban Nonlinear

Pada pembahasan bagian ini, maka akanjelas bahwabeban

yangmenimbulkan arus darisumber

ACsinusoidalmenghadirkangelombangsepertidariGambar 2.2tidak dapat dipahamisebagaibebanlinier[2].

2.3.1 Beban Linear

Bebanlinieradalah dimanategangan dan arusmempunyai perbandingan yang konstan. Hubungan inilebih dikenal sebagaihukum yangmenyatakan bahwaarus melaluisuatu hambatan olehsumbertegangan yang bervariasiadalah

10 Gambar 2.4 Gelombang Fundamental, Harmonik Ketiga dan Hasil

Penjumlahannya

2.3 Beban Linear dan Beban Nonlinear

Pada pembahasan bagian ini, maka akanjelas bahwabeban

yangmenimbulkan arus darisumber

ACsinusoidalmenghadirkangelombangsepertidariGambar 2.2tidak dapat dipahamisebagaibebanlinier[2].

2.3.1 Beban Linear

10 Gambar 2.4 Gelombang Fundamental, Harmonik Ketiga dan Hasil

Penjumlahannya

2.3 Beban Linear dan Beban Nonlinear

Pada pembahasan bagian ini, maka akanjelas bahwabeban

yangmenimbulkan arus darisumber

ACsinusoidalmenghadirkangelombangsepertidariGambar 2.2tidak dapat dipahamisebagaibebanlinier[2].

2.3.1 Beban Linear

sebanding dengantegangan danberbanding terbalik dengan hambatannya, seperti yang dijelaskan olehOhm:

(2.7) Dari Persamaan (2.7), gelombangtegangan dan arusdalam rangkaianlistrik dalam bebanliniersama.Oleh karena itu, jika sumbertegangan adalah sinusoidal sempurna, gelombang arus juga akan sinusoidaldimanatidak ada distorsi. Jumlahpanasyang diciptakan olehbebanresistifliniersepertielemen pemanasataulampu pijardapat juga ditentukan dengan mudah karena itusebanding dengan kuadrat arus.

Bentuk gelombangtegangan dan arusdalam

rangkaiandenganbebanlinearakan menunjukkanduabentuk gelombangdalam fasesatu sama lain.Tegangan dan arusyang melibatkaninduktormembuat teganganmendahului arusdan jika rangkaianyang mengandungkapasitormembuat arus mendahului tegangan. Oleh karena itu, dalam kedua kasus, keduagelombangakankeluar dari faseyang sama dan tidak ada distorsi gelombangakan berlangsung[2].

Gambar 2.5Hubungan antarategangan, arus, dan dayadalam rangkaian resistif murni.

12 Gambar 2.6menyajikanhubunganantarategangan, arus, dan daya dalamrangkaian linieryang disuplysumber AC.Daya sesaat, P = V x I , tidak pernah negatifkarena gelombang tegangan dan arusberada dalam fase yang sama..

Gambar 2.6(a) menunjukkan hubungan antaraparameter yang samaketikaarus Itertinggal daritegangan V, yang akansesuai denganbeban induktif, danGambar 2.6(b) ketikaI mendahuluitegangan Vseperti dalam kasusdaribebankapasitif.

(a) I tertinggal dari V (rangkaian induktif)

(b) I mendahului V (rangkaian kapasitif)

Gambar 2.6 Hubungan antara tegangan, arus dan daya dalam rangkaian : (a)induktif dan (b)kapasitif

2.3.2. Beban Nonlinear

Bebannonlinieradalahbebandimanagelombang arus tidak menyerupaibentuk gelombangtegangan. Oleh karena itu,kita bisa menentukanhubungan antaraV danI dalam bebannonliniertidak bisa dijelaskan

denganhukum ohm.Bebannonlinieryang paling umumdalam sistemtenaga listrik adalahsemua perbaikanperangkatdaya seperti yang ditemukan dikonverter daya,Uninterruptible Power Supply(UPS), Las listrik danlampu-lampu hemat energi[2].

Gambar 2.7menunjukkantegangan dan arusdengan bentuk gelombangsaatswitchingdariInsulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), dayaperangkat elektroniksolid stateumum.Cara ini paling sederhana untukmenggambarkankinerjabebannonlinierdi manaarus tidak mengikutisinusoidalsumber tegangankecuali selamawaktu ketikamenembakkanpulsaFP1danFT2(seperti yang ditunjukkan pada plotyang lebih rendah) ON. Beberapapengendali kecepatan motor, peralatan rumah tangga seperti:Televisi, VCR, dan berbagaimacam peralatanelektronik lainnyayang menngunakankontroltegangan. Ketikaproses yang samaterjadidalam peralatantiga fasedan jumlahbebanyang signifikan, distorsiyang sesuaidapat terjadijuga dalamsinyaltegangan[2].

14 Gambar 2.7 Hubungan antarategangan dan arusdalam sumberdayanonlinier

Bebanliniersepertitransformator dayadapat bertindaksebagai beban nonlinierdalam kondisisaturasi.Artinyadalam kasus tertentukerapatanfluks magnet(B) dalam transformatortidak bisa naiklagi walaupunintensitasfluksmagnetik(H) terus bertambah.Inilah yang disebutkejenuhankurvamagnetizingtransformator. Perilakutransformatordi bawah perubahansiklusnilai-nilai positifdan negatifdariHditunjukkan padaGambar 2.8dan dikenal sebagaikurvahisteresis[2].

Gambar 2.8 karakteristikhysteresistransformator.

DalamGambar 2.8yang disebutkurvamagnetisasitransformator dimanadimulaidari titik0dengankenaikanintensitasmedan magnetH, mencapai titik1pada puncaknyaH, setelah mencapai puncak fluksmagnetikmenunjukkanperilakudatar sekalipun H dinaikkan,.Akibatnyamulai mendapatkandistorsidan dengan demikianmenunjukkankomponen harmonikpadagelombang teganganjuga.Perhatikan bahwadari titik1ke titik2, karakteristikB-Hmengikuti jaluryang berbedasehingga ketikaintensitasmedan magnetmengalami penurunanke nol, kerapatanflukssisa, Br, disebutmagnetisasipermanen atauremanenyang tersisa dalamintitransformator. Ini hanyadibatalkan pada saatmedan listrikintensitasterbalikdan mencapaiapa yang disebutkekuatankoersifHc. point 4sesuai dengansiklusmedan magnetintensitas puncaknegatif.KetikaHkembali kenolpada akhirsikluspertama,

16 karakteristikBHberakhirdi titik5. Dari sinisiklushisteresislengkapakan selesaisaatHmencapailaginilai positifpuncaknyauntuk kembali ke titik1[2].

2.4 Sumber Harmonisa

Gelombang arus maupun tegangan ideal yang disalurkan dari tegangan pembangkit ke beban adalah berbentuk sinus murni dengan frekuensi 50/60 Hz. Seperti dijelaskan sebelumnya beban pada sistem tenaga dapat dibagi menjadi dua, yaitu beban linear dan beban non-linear.

Beban linear adalah beban yang impedansinya selalu konstan sehingga arus listrik selalu berbanding lurus dengan tegangan setiap waktu. Beban linear ini mematuhi hukum ohm yang menyatakan bahwa arus yang mengalir pada sebuah komponen berbanding lurus dengan tegangan pada ujung-ujung pada komponen tersebut, asalkan suhu dijaga tetap. Gelombang arus listrik yang dihasilkan oleh beban linear akan sama dengan bentuk gelombang tegangan. Apabila diberi tegangan sinusoidal, maka arus yang mengalir ke beban linear juga merupakan sinusoidal sehingga tidak terjadi distorsi dan tidak menimbulkan harmonisa. Beban ini berupa elemen pasif seperti resistor, induktor, dan kapasitor [4].

Beban non-linear adalah beban yang impedansinya tidak konstan dalam setiap periode tegangan masukan. Dengan impedansinya yang tidak konstan maka arus listrik yang dihasilkan tidaklah berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan sehingga beban non-linear tidaklah mematuhi hukum ohm. Gelombang arus listrik yang dihasilkan oleh beban non-linear tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan sehingga terjadi cacat (distorsi). Dengan meluasnya

pemakaian beban non-linear, gelombang sinusoidal ini dapat mengalami cacat sehingga menimbulkan harmonisa.

Semua peralatan yang menggunakan komponen semikonduktor (dioda,transistor,trisistor) merupakan beban non-linear. Peralatan semikonduktor ini merupakan pemakaian beban non-linear terluas. Peralatan semikonduktor ini mencakup semua peralatan elektronika daya, seperti :

1. UPS (Uninterruptible Power Supply),

2. Pengendali kecepatan motor (adjustable speed drive) 3. Soft starter

4. Static compensator 5. Catu daya (power supply)

6. Pengubah frekuensi (cycloconverterdanrectifier inverter). 7. Pengisi baterai (charger), dll.

Selain itu ada juga beberapa peralatan yang termasuk beban non-linear, seperti :

1. Peralatan penerangan 2. Peralatan industri

Peralatan ini mencakup tungku busur listrik (Electric Arc Furnace), tungku induksi(induction furnace),dan mesin las.

3. Perlengkapan kantor

Perlengkapan ini mencakup printer, mesin fotocopy, mesin fax, komputer, monitor, elevator,dan sebagainya.

4. Peralatan rumah tangga

2.5 Jenis-Jenis Harmonisa

Berdasarkan ordenya, harmonisa dapat dibedakan menjadi harmonisa ganjil dan harmonisa genap. Sesuai dengan namanya maka harmonisa ganjil terdiri dari harmonisa ke- 3, 5, 7, 9, dan seterusnya. Sedangkan harmonisa genap terdiri dari ke- 2, 4, 6, 8, dan seterusnya. Harmonisa ke- 1 tidak masuk ke dalam harmonisa ganjil karena frekuensi dari harmonisa tersebut adalah frekuensi fundamental. Harmonisa orde 0 menunjukkan konstanta atau komponen DC dari suatu gelombang [5].

Selain itu, dikenal juga harmonisa yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi fundamentalnya tetapi bukan merupakan kelipatan bulat ( integer ) dari frekuensi fundamentalnya. Harmonisa jenis ini dinamakan inter harmonics. Sedangkan harmonisa yang memiliki frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi fundamentalnya dinamakansub-harmonics.Harmonisa ini memiliki orde 0.2, 0.5, 0.7, dan seterusnya [5].

Berdasarkan urutan fasanya, harmonisa dapat dibedakan menjadi tiga bagian yaitu 1. Harmonisa Urutan Positif

Harmonisa ini mempunyai urutan fasa yang sama dengan fasor aslinya yang terdiri dari tiga buah fasor yang sama besarnya dan mempunyai beda fasa 120 . Harmonisa positif terdiri dari harmonisa ke- 1, 4, 7, 10, dan seterusnya.

1 1

Gambar 2.9 Fasor fundamental

2. Harmonisa Urutan Negatif

Harmonisa ini memiliki urutan fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya yang terdiri dari tiga buah fasor yang sama besarnya dan mempunyai beda fasa 120 . Harmonisa negatif terdiri dari harmonisa ke- 2,5,8, dan seterusnya.

5 5

Gambar 2.10 Fasor harmonisa ke-5

3. Harmonisa Urutan Nol

Harmonisa ini memiliki fasor yang sama besarnya dan mempunyai beda fasa 0 . Harmonisa urutan nol terdiri dari harmonisa ke- 3,6,9, dan seterusnya.

20 Jenis-jenis harmonisa berdasarkan orde dan urutan fasanya dapat disimpulkan dalam tabel 2.1 berikut ini [5].

Tabel 2.1 Harmonisa berdasarkan orde dan polaritas. Harmonisa Ke-1 2 3 4 5 6 7 8 Frekuensi (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 Urutan + _ 0 + _ 0 + -2.6 Triplen Harmonik

Setiap komponen sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonik walaupun dengan akibat yang berbeda. Namun demikian komponen tersebut akan mengalami penurunan kinerja dan bahkan akan mengalami kerusakan. Salah satu dampak yang umum dari gangguan harmonik adalah panas lebih pada kawat netral dan transformator sebagai akibat timbulnya harmonik ketiga yang

Gambar 2.11 Fasor urutan ke- 3 Urutan fasa nol

I a3 I b3

I c3

dibangkitkan oleh peralatan listrik satu fasa. Pada keadaan normal, arus beban setiap fase dari beban linear yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban tidak linear satu fasa akan menimbulkan harmonik kelipatan tiga ganjil yang disebut triplen harmonik (harmonik ke-3, ke-9, ke-15 dan seterusnya ) yang sering disebut zero sequence harmonik. Harmonik ini tidak menghilangkan arus netral tetapi dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus fasa [6,7].

Tabel 2.2 Polaritas dari komponen harmonik.

Harmonik 1 2 3 4 5 6 7 8

Frequensi (Hz)

50 100 150 200 250 300 350 400

Urutan + - 0 + - 0 +

-Tabel 2.3 Akibat dari polaritas dari komponen harmonik

Urutan Pengaruh pada sistem distribusi

Positif Panas

Negatif

Panas

Arah putaran motor berubah

Nol

Panas

2.7 PengaruhArusHarmonicpadaImpedansi

Gambar 2.12dalam bentuk yang sederhanamenunjukkan bahwa ketikabebannonliniermenarikarus terdistorsi(non-sinusoidal) darisuplai, dimana arusterdistorsimelalui semuaimpedansiantara beban dansumber listrik. Arusharmonikyangmelewatiimpedansimenyebabkanteganganturununtukmasing-masing frekuensiharmonikberdasarkanHukum Ohm( .Jumlah vektordarisemuateganganindividuturunmenghasilkan totaldistorsitegangan, besarnyatergantung padaimpedansisistem dantingkatarus harmonisapadamasing-masing frekuensiharmonik[8].

Gambar 2.12 ArusTerdistorsiMenginduksiDistorsiTegangan

Gambar 2.13menunjukkansecara rincipengaruharus harmonikpadaimpedansidalam sistemdaya dan masing-masing dropteganganterkait. Perhatikan bahwa"totaldistorsiteganganharmonik", VTHD(berdasarkan penjumlahan vektorsemua harmonikindividu),

berkurangkarena lebih banyakimpedansidiinduksiantara bebannonlinier dansumber.

Gambar 2.13 Prosesharmonikindividu mengakibatkan dropstegangan dalamimpedansi. V = x (Hukum Ohm) (2.8) Pada beban ) (2.9) Pada Trans. ) (2.10) Pada Sumber ) (2.11) Dimana : Z = impedansi padafrekuensiharmonik(misalnya, 250Hz) = harmonisa teganganorde ke -h(misalnya, 5)

= harmonisa arus di orde ke-h (misalnya, 5)

24 Setiapperiodik(berulang) gelombang kompleksterdiri darikomponensinusoidalpadafrekuensi dasardan sejumlahkomponen harmonikyangpenggandaintegral darifrekuensi dasar. Nilai sesaatteganganuntukgelombangnon-sinusoidal ataugelombangyang kompleksdapat dinyatakan sebagai:

= + sin( + ∅) + sin(2 + ∅) + sin(3 + ∅) +

sin( + ∅ ) … (2.12)

Dimana :

V=nilai sesaatsetiap saatt

=langsung(atau rerata) nilai(komponen DC) =nilai rmskomponen fundamental

=rmsnilaikomponenharmonikkedua =nilairmsdari komponenharmonikketiga =nilairmsdari komponenharmonikn φ=frekuensi sudutrelatif

ω=2πf

f=frekuensikomponen fundamental(1⁄ mendefinisikanwaktuyang lebih dari gelombangkompleksberulang).

Hal ini biasanyalebih nyaman, namun,

untukmenginterpretasikangelombangkompleksdengan cara"Fourier Series"dan metodeanalisisterkait. JosephFourier, abad ke-19fisikawan Perancismemperkenalkanteori bahwasetiapfungsi periodikdalam intervalwaktudapatdinyatakan denganjumlahfundamentaldan

serangkaianurutanfrekuensi harmonikyang lebih tinggiyangpenggandaterpisahkan darikomponen fundamental[8].

MengabaikankomponenDCdalam rumus di atas, di mana dan mewakiliteganganfundamental dansaat ini,masing-masing,sesaatteganganrms, Vh, dapat direpresentasikansebagaiSeriFourier:

V(t) = ∑ ( ) = ∑ √ 2 ^{sin (} ^{+ ∅ )} (2.13)

Nilai rms tegangan dapat dirumuskan :

= + + + + .... (2.14)

= _∫ _{( )} = ∑ = + + + + .... (2.15)

Dimana penurunan dan ada pada lampiran.

Rmstegangan atau arus"totalharmonikdistorsi", dan , masing-masing dapat dirumuskan sebagai : = ^∑ ∞ x 100% = .... (2.16) = ^∑ ∞ x 100% = .... (2.17)

Rumus yang lebih sederhana dapat juga dinyatakan dengan persamaan berikut : Total rms arus

= + (2.18)

= 1 + ( ) i (2.19)

Arus fundamental

= (2.20)

Total arus fundamental terdistorsi :

( ) ⁼ ⁽ ^{) − 1} ^(2.21)

BAB III

EFEK HARMONISA PADA SISTEM DISTRIBUSI

3.1 Efek Panas Pada Transformer

Jaringanindustri dan komersial yang semakin modern,dipengaruhi olehsejumlah besararus harmonikyang dihasilkan olehberbagaibebannonliniersepertipengendali kecepatan motor,tungku busur listrik, lampu hemat energi, UPS, komputer, dan lain sebagainya [2].

Semuaarus ini melaluitransformator dimana ini akan mengakibatkan kondisi saturasidanmenjadi sumberharmonisa. TransformatorDelta-Wye atau delta-delta yangmenimbulkanarusurutannolakan menghasilkan panas berlebih padakawatnetral. Arusmengalirdi deltameningkatkan nilaiarus rmsdanmenghasilkan panastambahan. Inimerupakan aspek yang pentinguntuk diperhatikan. Arusdiukur pada sisitegangan tinggidaritransformatordelta-Wye terhubungtidakakan mencerminkanurutanarusnol tetapiefeknyadalam memproduksirugi-rugipanas.

Rugi-rugitransformatortanpa bebandimana ini tergantung padanilaipuncakfluksyang menimbulkan magnetisasiintitrafodapat diabaikansehubungan dengantingkatarus harmonik dan rugi-rugi bebanyang meningkat secara signifikanpadafrekuensi harmonikketikatransformerpasokanarus nonlinier.

Pengaruharus harmonikpada frekuensiharmonikpada transformatormenyebabkanpeningkatanrugi intikarena meningkatnya

rugi-28 rugifluksbocor yangdapat mengakibatkanpemanasantambahan khususnya padagulunganisolasi,terutama jikapada tegangan tinggi ⁄ (yaitu, laju kenaikantegangan) yang ada. Suhusiklusdan kemungkinanresonansiantarabelitan transformatorinduktansi dankapasitansipasokanjuga dapat menyebabkanrugi-rugi tambahan.

Peningkatanarus rmskarenaharmonikakanmeningkatkan rugi-rugitembaga yaitu . Rugi-rugi tembagadapat dihitung dengan menggunakanPersamaan3.1 seperti dibawah ini :

= (3.1)

Dimana

= Total rugi-rugi tembaga = Total arus rms

R = Tahanan dari belitan

Rugi-rugiarus eddydapat dihitung dengan menggunakanPersamaan

= _∑ (3.2)

Dimana

= Total arus eddy

= rugi-rugiarus eddypada bebanpenuh padafrekuensi dasar = arus harmonisa orde ke n

n = orde harmonisa

Rugi-rugihisteresisadalahdaya yang dikonsumsikarenakenon-linearan darikerapatan fluks/magnetizing transformer danpembalikanmedan magnetintitransformatorsetiap kaliperubahan aruspolaritas(yaitu, 120kali per detikuntuk 60Hz). Rugi histeresisyang lebih tinggiterjadi pada

frekuensiharmonikkarenapembalikanlebih cepatdibandingkanpada frekuensifundamental.Rugi histeresissebanding denganfrekuensi dankuadrat darifluksmagnetik[2].

3.2 Rugi-rugiTermal Pada Konduktor

Rugi-rugi kabel yanghilang sebagai panas, secara substansialmeningkat ketikamembawa arusharmonikkarena rugi-rugi tinggi, resistansi kabel, R, ditentukan oleh pendekatan nilai DCnyaditambahefek kulit. Sebagaimana dinyatakan dalamPersamaan2.15, saatgelombang arusterdistorsidapatdihitung dengan rumus [8] :

= _∫ _{( )} = ∑^∞ ⁼ ⁺ ⁺ ^…+ (3.3)

Sehingga :

= 1 + (3.4)

3.3Derating Transformator atau K-Faktor Transformator

Transformatorsangat pentingutamanyadalamsistem tenaga listrik. Ketikadibebani oleh bebannonlinier, transformatorsangat rentan terhadappanas danmenjadi awal kerusakan.Dalam rangka meminimalkanrisiko kegagalanprematur, dua metodeyang digunakanantara lain :

•"Derate" transformator(yaitu, Kapasitas daya yang besarsedemikian rupa sehinggaberoperasi dibawah kapasitasbeban)ataupertimbangkan untuk mengurangibebandi atasnya.

30 •Gunakan"K-faktor" atau"K-rated" transformer.K-rated transformatorsecara khusus dirancanguntuk bebannonlinier danberoperasi denganrugi-rugi yang lebih rendahpada frekuensiharmonik.

K-rated transformator dirancanguntukdioperasikan padaratedkVAbebandengan adanyaarusharmonis danini juga biasanyasesuai denganUnderwriters Laboratory(UL) dan persyaratanNECuntuk

transformatormemasok bebannon-linier.Gambar

3.1mengilustrasikanhubungantransformatorderating(K-faktor)dan beban nonlinier[8].

Gambar 3.1hubungantransformatorderating(K-faktor)dan beban nonlinier.

ULmengembangkan sistemK-faktor untuk

menunjukkankemampuantransformatoruntuk menanganibeban harmonik. Pada dasarnya, K-faktor dengan bobotbebansaatharmonisaefeknya terhadappemanasan

transformatordirumuskan dariANSI/IEEEC57.110. A K-faktor 1,0menunjukkanbebanlinear(yaitu, tidak ada bebanharmonik). Semakin tinggiK-faktor, semakin besarefek pemanasanpada transformatoryang diberikan. Persamaanuntuk menghitungK-faktoradalah rasiorugi-rugiarus eddysaatmemasok bebannonlinierdan linier:

K = = ∑ (3.5)

Dimana

K = K-faktor

= Rugi arus eddy akibat beban linear = Rugi arus eddy akibat beban nonlinear n= orde harmonik

= arus harmonisa (per unit)

Ada satu masalah yang telah diketahui berkaitan denganmenghitungK-faktor yangmemilih rentangyang paling tepatdarifrekuensi harmonik. Berdasarkanbatas atas, misalnya, dari15, 25 atauharmonikke-50, perhitungandapat menghasilkan nilai yangberbedasecara signifikandengan K-faktor beban yang sama. IEEE519 (1992)menganggapharmoniksampai50 [8].

3.4 Standar Harmonisa

Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada tapi cukup dengan meruduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga nilainya di bawah standar yang diizinkan. Hal ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis dimana dalam mereduksi

32 harmonisa secara teknik di bawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar.

Dalam hal ini standar yang digunakan sebagai batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) yang mengatur batasan harmonisa pada beban-beban kecil satu fasa ataupun tiga fasa yang nilai arusnya lebih kecil dari 16 amper perfasa. Untuk beban-beban tersebut umumnya digunakan standar IEC1000-3-2. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan oleh IEEE.

Untuk standar pembatasan harmonisa arus, ditentukan oleh rasio dari / _. adalah arus hubung singkat dan adalah arus beban nominal fundamental. Untuk standar harmonisa tegangan ditentukan berdasarkan tegangan sistem yang dipakai [6,7,9].

Tabel 3.2 Standar Harmonisa Tegangan IEEE 519

Maximum Distortion (%) System Voltage <69 kV 69 – 138 kV > 138 Individual Harmonic ^3,0 ^1,5 ^1,0 Total Harmonic 5,0 2,5 1,5

Tabel 3.3 Standar Harmonisa Arus IEEE 519 /

Harmonic Order Total Harmonic Distortion n<11 11<n<17 17≤n<23 23≤n<35 n≥ <20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5 20-50 7,0 3,5 2,5 1,0 1,0 6,0 50-100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 100-1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 >1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0

Nilai distorsi pada Tabel 3.3 dinyatakan dalam persen (%) dan hanya digunakan pada harmonisa ganjil saja. Harmonisa dibatasi sebesar 25% dari nilai yang ada di Tabel 3.4

3.5Dampak Lain Harmonisa Pada Sistem Distribusi Tenaga Listrik

Pengaruh harmonik pada transformator sering tanpa disadari dan tidak diantisipasi keberadaanya sampai terjadi gangguan yang penyebabnya tidak jelas. Hal ini dapat juga terjadi bila perubahan konfigurasi atau jenis beban yang dipasok. Transformator dan peralatan induksi lainnya, selalu terpengaruh oleh harmonik karena trafo itu sendiri dirancang sesuai dengan frekuensi kerjanya. Selain itu transformator juga merupakan media utama antara pembangkit dengan beban. Frekuensi harmonik yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi atau terjadi rugi-rugi daya. Selain itu, ada beberapa akibat yang dapat ditimbulkan oleh adanya harmonik dalam sistem tenaga listrik, antara lain [4,7].

1. Timbulnya getaran mekanis pada panel listrik yang merupakan getaran resonansi mekanis arus frekuensi tinggi.

34 akibatnya, putaran piringan akan lebih cepat atau terjadi kesalahan ukur kWh meter karena piringan induksi tersebut dirancang hanya untuk beroperasi pada frekuensi dasar.

3. Pemutusan beban dapat bekerja dibawah arus pengenalnya atau mungkin tidak bekerja pada arus pengenal. Pemutus beban yang dapat terhindar dari gangguan harmonik pada umumnya adalah pemutus beban yang mempunyai respon terhadap arus rms sebenarnya (true-rms current) atau kenaikan Temperatur karena arus lebih.

4. Dampak pada kabel

 Dengan adanya harmonisa, efek kulit (skin effect) akan meningkat pada kabel sehingga menaikkan resistansi ac (Rac) yang meningkatkan rugi-rugi.  Pada saat terjadi resonansi, akan terjadi korona di sekitar kabel dan isolasi

kabel dapat mengalami stress yang dapat memicu kepada terjadinya kegagalan isolasi.

5. Beberapa peralatan elektronika menjadi kurang teratur dalam menjalankan fungsinya dan bahkan bisa mengalami gagal fungsi.

6. Menimbulkan kesalahan pengukuran pada alat ukur.

7. Menimbulkan interferensi pada saluran komunikasi radio, telepon, PLC (Power Line Carrier)melalui kopling induktif

8. Arus yang mengalir pada konduktor netral terlalu besar dikarenakan adanya harmonisa urutan nol.

9. Memperburuk faktor daya.

3.6 Peralatan Pengukuran

Meterkonvensionalbiasanya dirancanguntuk membacagelombang yangsinusoidal. Tegangandan arusnonlinierakan menghasilkan kesalahandalampengukuranyangmenghasilkanpembacaan palsu[8].

Meterkonvensionaldikalibrasiuntuk menanggapinilai-nilairms. Root mean square(rms) dapat didefinisikan sebagaibesarnya arussinusoidalyang merupakannilaiaruslangsungsetarayang akan menghasilkanjumlah yang samapanas dalambeban resistiftetap yangsebanding dengankuadrat arusrata-rata

Dalam dokumen Analisis Pengaruh Harmonisa Terhadap Panas Pada Belitantransformator Distribusi (Halaman 17-83)