TUGAS AKHIR
PENGARUH HARMONISA TERHADAP RUGI-RUGI PADA
TRAFO TIANG DAYA 160 KVA
(Aplikasi Pada PT.PLN (Persero) Cabang Medan)
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh
ADE DODIPUTERA POERBA NIM : 040402070
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PENGARUH HARMONISA TERHADAP RUGI-RUGI PADA TRAFO TIANG DAYA 160 KVA
(Aplikasi Pada PT.PLN (Persero) Cabang Medan) Oleh:
ADE DODIPUTERA POERBA NIM : 04 0402 070
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro
Disetujui oleh : Dosen Pembimbing,
Ir. SATRIA GINTING NIP : 131 836 676
Diketahui oleh :
Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,
Ir. NASRUL ABDI, MT NIP : 131 459 554
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur Penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala kasih karunia, pengetahuan, dan tuntunannya selama Penulis melaksanakan studi hingga terselesaikannya tugas akhir ini
Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat bagi Penulis untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatra Utara.
Adapun judul tugas akhir ini adalah :
PENGARUH HARMONISA TERHADAP RUGI-RUGI PADA TRAFO TIANG DAYA 160 KVA
(Aplikasi Pada PT. PLN (Persero) Cabang Medan)
Selama masa kuliah sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, Penulis banyak memperoleh bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan penuh ketulusan hati, Penulis mengucapkan banyak terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Satria Ginting selaku Dosen Pembimbing Penulis yang telah meluangkan waktu dan tempat untuk membimbing dan membantu Penulis
menyelesaikan Tugas akhir ini.
2. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik , Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Rahmat Fauzi ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik , Universitas Sumatera Utara.
6. Bapak Suwito, selaku Supervisor Pemeliharaan Distribusi PT. PLN
(Persero) Cabang Medan.
7. Seluruh Staff dan Karyawan PT. PLN (Persero) Wilayah Sumetera Utara
dan PT. PLN (Persero) Cabang Medan yang telah membantu penulis selama penelitian.
8. Keluarga Tercinta yang mengasihi saya, Opung, Bapak, Ibu, Kakak, dan
Adik yang telah memberikan semua kemampuan mereka dalam menyediakan segala kebutuhan saya selama perkuliahan.
9. Semua rekan – rekan di Fakultas Teknik Elektro USU terutama angkatan 2004 yang telah banyak memberi warna dalam hidup Penulis.
10.Semua orang yang tidak dapat disebutkan satu persatu, Penulis
mengucapkan banyak terima kasih.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi penyempurnaan isi dan analisa yang disajikan. Akhir kata, semoga tulisan
ini bermamfaat bagi Pembaca.
Medan, Juni 2009
ABSTRAK
Transformator merupakan suatu alat listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Namun kecenderungan penggunaan beban-beban elektronik dalam jumlah besar akhir-akhir ini telah menimbulkan masalah yang tidak terkirakan sebelumnya. Berbeda dengan beban-beban listrik yang menarik arus sinusoidal (sebentuk dengan tegangan yang menyuplainya), beban-beban elektronik menarik arus dengan bentuk nonsinusoidal, walaupun disuplai dari sumber tegangan sinusoidal. Beban yang memiliki sifat ini disebut sebagai beban nonlinier, dan beban nonlinier ini merupakan penyebab munculnya harmonisa yang dapat mengganggu sistem distribusi listrik dimana salah satu komponennya adalah transformator.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... x
BAB I : PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penulisan ... 2
1.3 Manfaat Penulisan ... 2
1.4 Batasan Masalah ... 2
1.5 Metode Penulisan... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II: TRANSFORMATOR 2.1 Umum... 5
2.2 Konstruksi Transformator ... 6
2.3 Prinsip Kerja Transformator ... 9
2.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban ... 10
2.3.2 Keadaan Transformator Berbeban ... 14
2.4 Rangkaian Ekivalen Transformator ... 15
2.5.1 Rugi-Rugi Transformator ... 18
2.5.2 Efisiensi Transformator ... 20
2.6 Transformator Tiga Fasa ... 22
2.6.1 Umum ... 22
2.6.2 Konstruksi Transformator Tiga Fasa... 23
2.6.3 Hubungan Tiga Fasa Pada Transformator ... 25
2.6.4 Macam Hubungan Belitan Transformator Tiga Fasa ... 27
2.7 Isolasi Transformator ... 31
2.8 Sistem Pendingin Transformator ... 33
2.9 Pernafasan Transformator ... 35
BAB III : HARMONISA 3.1 Umum... 36
3.2 Sumber Harmonisa ... 38
3.2.1 Beban Linier ... 38
3.2.2 Beban Non Linier ... 39
3.3 Standarisasi Harmonisa ... 40
3.4 Pengaruh Harmonisa pada Komponen Sistem Distribusi ... 43
3.5 Metode Penghilangan Harmonisa ... 46
3.5 Deret Fourier ... 49
3.5.1 Simetri Genap ... 51
3.5.2 Simetri Ganjil ... 52
BAB IV : PENGARUH HARMONISA TERHADAP RUGI-RUGI PADA TRAFO TIANG DAYA 160 KVA
4.1. Umum ... 56
4.2 Persamaan Yang Digunakan Dalam Perhitungan ... 58
4.2.1 Perhitungan Arus Beban Penuh dan Arus Hubung Singkat Transformator ... 58
4.2.2 Analisa Pengaruh Harmonisa pada Transformator ... 59
4.3 Peralatan Yang Digunakan ... 61
4.4 Data Hasil Pengukuran... 63
4.5 Analisa Data Pengukuran ... 65
BAB V : PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 74
5.2. Saran ... 75
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti (core form) ... 7
Gambar 2.2 Konstruksi inti transformator tipe core form ... 7
Gambar 2.3 Konstruksi transformator tipe cangkang (shell form) ... 8
Gambar 2.4 Konstruksi inti transformator tipe shell form ... 8
Gambar 2.5 Transformator dalam keadaan tanpa beban ... 10
Gambar 2.6 Arus peneralan dalam rangkaian vektoris dan skematis ... 13
Gambar 2.7 Transformator dalam keadaan berbeban ... 14
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen transformator berbeban ... 14
Gambar 2.9 Model rangkaian ekivalen transformator ... 16
Gambar 2.10 Diagram vektor model rangkaian ekivalen transformator ... 16
Gambar 2.11 Penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator ... 17
Gambar 2.12 Parameter sekunder pada rangkaian primer ... 17
Gambar 2.13 Penyederhanaan akhir rangkaian ekivalen transformator ... 18
Gambar 2.14 Blok diagram rugi-rugi pada transformator ... 19
Gambar 2.15 Transformator tiga fasa tipe inti ... 23
Gambar 2.16 Transformator tiga fasa tipe cangkang ... 24
Gambar 2.17 Hubungan wye ... 25
Gambar 2.18 Hubungan delta ... 26
Gambar 2.19 Transformator hubungan Y-Y ... 28
Gambar 2.20 Transformator hubungan Y-∆ ... 29
Gambar 3.1 Gelombang sinus arus dan tegangan ... 36
Gambar 3.2 Gelombang fundamental, harmonisa ketiga, dan hasil penjumlahannya ... 37
Gambar 3.3(a) Hubungan antara tegangan, arus, dan daya pada rangkaian resistif murni ... 38
Gambar 3.3(b) Tegangan mendahului arus (rangkaian induktif) ... 38
Gambar 3.3(c) Arus mendahului tegangan (rangkaian kapasitif) ... 39
Gambar 3.4(a) PCC pada primer transformator dimana berbagai pelanggan dilayani ... 41
Gambar 3.4(b) PCC pada sekunder transformator dimana berbagai pelanggan dilayani ... 41
Gambar 3.5 (a) Singel-tuned filter (b)First order high-pass filter (c)Second order high-pass filter (d) Third order high-pass filter ... 46
Gambar 3.6 Filter Pasif Seri ... 48
Gambar 3.7 Low-pass broadband filter... 48
Gambar 3.8 C Filter ... 49
Gambar 4.1 Alat ukur yang digunakan yaitu FLUKE 435 Power Quality Analyzer ... 61
Gambar 4.2 Letak Pemasangan Kabel Masukan Tegangan dan Arus ... 61
Gambar 4.3 Hubungan Alat ke Sistem Distribusi Tiga Fasa ... 62
Gambar 4.5 Trafo Tiang Kode MK – 529 ... 63
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Klasifikasi bahan isolasi menurut IEC ... 32
Tabel 2.2 Macam sistem pendingin transformator menurut IEC ... 34
Tabel 3.1 Batasan Distorsi Tegangan ... 42
Tabel 3.2 Batasan Distorsi Arus ... 42
Tabel 3.3 Urutan polaritas harmonisa pada sistem tiga fasa ... 44
Tabel 3.4 Akibat dari polaritas komponen harmonisa ... 44
Tabel 4.1 Nilai dari PEC-R ... 56
Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Trafo MK - 529 ... 60
Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Kandungan Harmonisa Arus Ganjil .. 60
Tabel 4.4 Analisa Pembebanan pada Trafo Tiang ... 61
Tabel 4.5 Analisa THD Tegangan pada Trafo Tiang ... 61
Tabel 4.6 Analisa THD Arus pada Trafo Tiang ... 62
Tabel 4.7 Pengaruh Harmonisa Terhadap Netral Trafo Tiang ... 63
Tabel 4.8 Perhitungan Komponen Rugi - Rugi pada Transformator Fasa R ... 64
Tabel 4.9 Perhitungan Komponen Rugi - Rugi pada Transformator Fasa S ... 65
Tabel 4.10 Perhitungan Komponen Rugi - Rugi pada Transformator Fasa T ... 66
Tabel 4.11 Perhitungan Rugi-Rugi Beban (PLL) pada Tiap Fasa ... 67
ABSTRAK
Transformator merupakan suatu alat listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Namun kecenderungan penggunaan beban-beban elektronik dalam jumlah besar akhir-akhir ini telah menimbulkan masalah yang tidak terkirakan sebelumnya. Berbeda dengan beban-beban listrik yang menarik arus sinusoidal (sebentuk dengan tegangan yang menyuplainya), beban-beban elektronik menarik arus dengan bentuk nonsinusoidal, walaupun disuplai dari sumber tegangan sinusoidal. Beban yang memiliki sifat ini disebut sebagai beban nonlinier, dan beban nonlinier ini merupakan penyebab munculnya harmonisa yang dapat mengganggu sistem distribusi listrik dimana salah satu komponennya adalah transformator.
BAB I PENDAHULUAN
I.1 LATAR BELAKANG
Pertumbuhan listrik dari suatu negara sekarang ini lebih besar pertumbuhannya daripada pertumbuhan ekonominya. Dengan adanya
pertumbuhan ekonomi, maka daya beli masyarakat juga meningkat. Meningkatnya daya beli masyarakat ini ditandai dengan semakin banyaknya
peralatan-peralatan elektronik yang dimiliki oleh seseorang, salah satunya adalah komputer. Penggunaan komputer pada masa sekarang ini sangat penting, karena dengan komputer suatu pekerjaan menjadi lebih mudah. Tetapi di sisi lain,
penggunaan komputer mempunyai pengaruh dalam sistem distribusi listrik. Komputer merupakan salah satu contoh dari beban non linier, sedangkan beban
non linier merupakan penyebab munculnya harmonisa yang dapat mengganggu sistem distribusi listrik. Adanya harmonisa ini menyebabkan gelombang arus dan tegangan menjadi cacat dan tidak sinusoidal lagi.
Harmonisa mempunyai pengaruh pada sistem distribusi listrik. Salah satunya komponen dalam sistem distribusi listrik adalah transformator. Pengaruh
I.2 TUJUAN PENULISAN
Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan untuk memberikan uraian tentang pengaruh harmonisa terhadap rugi-rugi pada gardu trafo tiang daya 160 kVA,
melalui aplikasi pada PT. PLN (Persero) Cabang Medan.
I.3 MANFAAT PENULISAN
Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan untuk memberikan informasi kepada penulis dan pembaca yang lain mengenai pengaruh harmonisa terhadap rugi-rugi
pada gardu trafo tiang daya 160 kVA dan bagi para pembaca, diharapkan semoga tugas akhir ini menjadi sumbangan dalam memperkaya pengetahuan sehingga dapat memunculkan pemikiran-pemikiran yang baru mengenai pengaruh
harmonisa terhadap rugi-rugi yang ditimbulkan pada transformator distribusi.
I.4 BATASAN MASALAH
Agar tujuan penulisan Tugas Akhir ini sesuai dengan yang diharapkan serta terfokus pada judul yang telah disebutkan di atas, maka penulis membatasi
permasalahan yang akan dibahas, yaitu :
1. Keadaan sistem dianggap dalam keadaan mantap (steady state).
2. Sistem dalam keadaan tidak terganggu, yaitu dimana tegangan jala-jala sistem tidak mengandung harmonisa.
3. Tidak membahas komponen semikonduktor seperti halnya pada peralatan
I.5 METODE PENULISAN
Untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, maka penulis menerapkan beberapa metode, diantaranya :
1. Studi Literatur, yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik Tugas Akhir ini, baik dari buku referensi, artikel, jurnal, internet dan lain-lain.
2. Studi Lapangan, yaitu dengan melakukan pengambilan data pada transformator distribusi pada PT. PLN (Persero) Cabang Medan.
3. Studi Bimbingan, yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik Tugas Akhir ini dengan Dosen Pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara,
dengan dosen-dosen bidang Konversi Energi Listrik, dan teman-teman sesama mahasiswa.
I.6 SISTEMATIKA PENULISAN
Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
BAB II TRANSFORMATOR
Bab ini memberikan penjelasan mengenai transformator secara umum, konstruksi, prinsip kerja, rangkaian ekivalen,rugi-rugi dan
efisiensi pada transformator.
BAB III HARMONISA
Bab ini memberikan penjelasan mengenai teori dasar harmonisa, beban linier dan beban non-linier, deret fourier, sumber harmonisa,
standarisasi harmonisa, pengaruh-pengaruh yang diakibatkan harmonisa pada trafo distribusi.
BAB IV PENGARUH HARMONISA TERHADAP RUGI-RUGI PADA GARDU TRAFO TIANG DAYA 160 kVA
Bab ini memberikan penjelasan mengenai persamaan yang digunakan dalam perhitungan, data, dan analisis pengaruh harmonisa terhadap rugi-rugi pada gardu trafo tiang.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
BAB II
TRANSFORMATOR
II.1 UMUM
Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik bolak-balik (arus dan tegangan) dari satu atau lebih
rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan nilai yang sama maupun berbeda besarnya (lebih kecil atau lebih besar) pada frekuensi yang sama, melalui
suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Pada umumnya transformator satu fasa terdiri atas sebuah inti yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder.
Rasio perubahan tegangan akan tergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan itu. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit seputar
inti transformator.
Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga
memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya jarak
jauh. Penggunaan transformator yang sangat sederhana dan andal merupakan salah satu alasan penting dalam pemakaiannya pada penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik, karena arus bolak-balik sangat banyak dipergunakan untuk
pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik. Pada penyaluran tenaga listrik arus
demikian maka saluran-saluran transmisi tenaga listrik senantiasa
mempergunakan tegangan yang tinggi. Tegangan transmisi yang tertinggi di Indonesia saat ini adalah 500 kV. Hal ini dilakukan terutama untuk mengurangi
rugi-rugi daya yang terjadi. Dan menaikkan tegangan listrik di pusat pembangkit listrik dari tegangan generator yang biasanya berkisar antara 6 kV sampai 23 kV pada pangkal saluran transmisi, kemudian menurunkannya lagi pada ujung saluran
itu ke tegangan yang lebih rendah, yang dilakukan dengan menggunakan transformator.
Transformator yang digunakan pada jaringan tenaga listrik merupakan transformator tenaga. Di samping itu ada jenis-jenis transformator lain yang banyak dipergunakan dan pada umumnya merupakan transformator yang jauh
lebih kecil. Misalnya dalam bidang elektronika, transformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk memisahkan
suatu rangkaian dari rangkaian yang lain dan untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian.
II.2 KONSTRUKSI TRANSFORMATOR
Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang
dibelitkan pada inti ferromagnetik. Berdasarkan letak kumparan terhadap inti, transformator terdiri dari dua macam konstruksi, yaitu tipe inti (core type) dan tipe cangkang (shell type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang
Tipe Inti (Core Form)
Tipe inti ini dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe inti, lilitan
mengelilingi inti besi yang disebut dengan kumparan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Konstruksi transformator tipe inti (core form)
Sedangkan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf L atau huruf U, dapat kita lihat pada Gambar 2.2.
Tipe Cangkang (Shell Form)
Jenis konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan kumparannya dibelitkan di pusat inti, dapat dilihat pada
Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Konstruksi transformator tipe cangkang (shell form)
Pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti.
Sedangkan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F seperti terlihat pada Gambar 2.4.
II.3 PRINSIP KERJA TRANSFORMATOR
Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektris namun berhubungan
secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi (reluctance) rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi. Karena
kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup, maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer, maka di kumparan primer terjadi
induksi (self induction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama (mutual induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan
sekunder. Maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi).
Dimana : e = gaya gerak listrik (volt)
N = jumlah lilitan (turn)
dt dφ
= perubahan fluks magnet (weber/sec)
Perlu diingat bahwa hanya tegangan listrik arus bolak-balik yang dapat ditransformasikan oleh transformator, sedangkan dalam bidang elektronika, transformator digunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban
Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk
mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common magnetic circuit).
II.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan
1
V yang sinusoidal, akan mengalir arus primer I (arus eksitasi) yang juga 0
sinusoidal, dan dengan menganggap belitan N reaktif murni, 1 I akan tertinggal 0
90o dari V . 1
Arus primer I menimbulkan fluks (0 φ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal.
Fluks bolak-balik ini akan memotong kumparan primer dan kumparan sekunder, dan harganya naik turun dalam arah bolak-balik, sehingga menginduksikan ggl pada kedua lilitan tersebut. Ggl yang diinduksikan dalam kumparan primer akan
melawan tegangan V yang dikenakan. 1
φ
V1
I1
N1 E1 E2 N2 V2
Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi е1 (Hukum
Harga efektifnya (rms) :
Pada rangkaian sekunder, fluks (φ) bersama tadi juga menimbulkan :
Harga efektifnya (rms) :
max 2 2 4,44N fφ
E = (volt) ………..(2.5)
Karena kedua kumparan dipotong oleh fluks yang sama, maka ggl yang
diinduksikan dalam setiap lilit dari kumparan adalah sama. Maka tegangan setiap
lilit dalam kedua kumparan berturut-turut adalah
1
Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor, maka :
a
V = tegangan terminal sisi sekunder (volt)
1
N = jumlah belitan sisi primer (turn)
2
N = jumlah belitan sisi sekunder (turn)
Dalam kenyataannya, arus primer I bukanlah merupakan arus induktif murni, 0
sehingga terdiri dari dua komponen (Gambar 2.6) :
1. Komponen arus pemagnetan I , yang menghasilkan fluks (M φ). Karena
sifat inti besi yang non-linier, maka arus pemagnetan I dan juga fluks M
(φ) dalam kenyataannya tidak berbentuk sinusoidal.
2. Komponen arus rugi tembaga I , menyatakan adanya daya yang hilang C
akibat adanya rugi hysteresis dan eddy current. I sefasa dengan C V , 1
dengan demikian hasil perkaliannya (IC×V1) merupakan daya yang
hilang.
E1
IM φ
Io
Io
IM
IC
RC XM
V1
IC
V1
II.3.2 Keadaan Transformator Berbeban
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z , maka L I akan 2
mengalir pada kumparan sekunder, dimana :
L
Gambar 2.7. Transformator dalam keadaan berbeban
R1 X1 R2 X2
RC XM ZL
I1 Io I2’
IC IM
V1 V2
Gambar 2.8. Rangkaian ekivalen transformator berbeban
Arus beban I ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) 2 N2 I2 yang
cenderung menentang fluks (φ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan.
mengalir arus I , yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban 2' I , 2
sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi :
'
Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh
arus pemagnetan IM, maka berlaku hubungan :
M
II.4 RANGKAIAN EKIVALEN TRANSFORMATOR
Dalam pembahasan sebelumnya kita telah mengabaikan adanya tahanan dan fluks
bocor. Analisa selanjutnya akan memperhitungkan kedua hal tersebut. Tidak
seluruh fluks (φ) yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I merupakan fluks M
bersama (φM), sebahagian darinya hanya mencakup kumparan primer (φ1) atau
kumparan sekunder (φ2) saja. Dalam model rangkaian (rangkaian ekivalen) yang
dipakai untuk menganalisa kerja suatu transformator, adanya fluks bocor φ1 dan φ2
dengan R dan 1 R . Dengan demikian model rangkaian dapat digambarkan seperti 2
pada Gambar 2.9.
R1 X1 R2 X2
Gambar 2.9. Model rangkaian ekivalen transformator
Io
Gambar 2.10. Diagram vektor model rangkaian ekivalen transformator
Dari model rangkaian di atas dapat pula diketahui hubungan penjumlahan vektor :
1
V = E1 + I1R1 + I1 X1 ...(2.13)
2
E = V2 + I2R2 + I2 X2 ...(2.14)
Maka, E = 1 a
(
I2ZL+I2R2+I2 X2)
Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer,
harganya perlu dikalikan dengan faktor a , dimana 2
2 1
E E
a= . Sekarang model
rangkaian menjadi seperti terlihat pada gambar berikut.
R1 X1 a
Gambar 2.11. Penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator
Untuk memudahkan perhitungan, model rangkaian tersebut dapat diubah menjadi
seperti gambar di bawah ini.
I1
Rangkaian di atas dapat disederhanakan dengan menggunakan R dan ek Xek, yang
dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini.
2
Sehingga rangkaian di atas dapat diubah menjadi seperti gambar di bawah ini.
Rek Xek
RC XM a2Z
I1 Io I2’
IC IM
V1 aV2
Gambar 2.13. Penyederhanaan akhir rangkaian ekivalen transformator
II.5 RUGI-RUGI DAN EFISIENSI TRANSFORMATOR
Transformator memberikan cara yang sederhana untuk mengubah tegangan bolak-balik dari suatu harga ke harga lainnya. Transformator tidak
mempunyai bagian yang bergerak, sehingga hanya memerlukan sedikit perhatian dan biaya pemeliharaan yang rendah. Walaupun efisiensi transformator cukup tinggi, namun kerugian akan selalu ada pada setiap transformator.
II.5.1 Rugi-rugi Transformator
masing belitan, yaitu belitan primer dan sekunder. Apabila transformator tidak
dibebani, maka rugi-rugi daya pada sekunder adalah nol. Berikut sekema dari rugi-rugi yang ada pada transformator.
Sumber Kumparan Primer Fluks Bersama Kumparan Sekunder
Rugi Besi : Rugi Hysteresis Rugi Eddy Current
Rugi Tembaga Rugi Tembaga
Rugi Fluks Bocor
Output
Gambar 2.14. Blok diagram rugi-rugi pada transformator
Rugi Tembaga (PCu)
Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut :
R I
PCu = 2 (watt) ...(2.19)
Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban
berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. Dan perlu diperhatikan pula resistansi disini merupakan resistansi AC.
Rugi Besi (Pi)
Rugi inti atau rugi besi pada transformator juga adalah rugi dalam watt. Rugi inti
Rugi Hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan oleh fluks bolak-balik pada
inti besi yang dinyatakan sebagai :
6
Rugi Eddy Current, yaitu rugi yang disebabkan oleh arus pusar pada inti
besi yang dinyatakan sebagai :
2
Jadi, rugi besi (rugi inti) adalah :
e h
i P P
P = + (watt) ...(2.22)
II.5.2 Efisiensi Transformator
Efisiensi transformator adalah perbadingan antara keluaran daya yang
berguna dan masukan daya total. Karena masukan ke transformator sama dengan keluaran daya yang berguna ditambah kerugiannya, maka persamaan efisiensi
dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut :
Dimana : Pin = daya input transformator (watt)
out
P = daya output transformator (watt)
∑
rugi = PCu +PiPerubahan Efisiensi Terhadap Beban
Perubahaan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai :
2
Melalui penurunan persamaan di atas dapat dicari nilai efisiensi maksimum untuk
beban tertentu, yaitu pada saat rugi tembaga = rugi inti.
Agar η maksimum, maka :
Perubahan Efisiensi Terhadap Faktor Kerja (Cos ϕ) Beban
Perubahan efisiensi terhadap faktor kerja (cos ϕ) beban dinyatakan sebagai :
η =
II.6 TRANSFORMATOR TIGA FASA II.6.1 Umum
Tiga transformator berfasa satu dapat dihubungkan untuk membentuk bank-3 fasa (susunan 3 fasa = 3 phase bank) dengan salah satu cara dari berbagai cara
menghubungkan belitan transformator. Pada tiga buah transformator satu fasa yang dipakai sebagai transformator tiga fasa, setiap kumparan primer dari satu
transformator dijodohkan dengan kumparan sekundernya. Hendaknya dicatat
bahwa pada transformator tiga fasa ini besar tegangan antar fasa (VL−L) dan daya
transformator (kVA) tidak tergantung dari hubungan belitannya. Akan tetapi
tegangan fasa netral (VL−N) serta arus dari masing-masing transformator
tergantung pada hubungan belitannya.
Ada beberapa jenis hubungan belitan yang terdapat pada transformator tiga fasa ini. Hubungan Y-Δ biasa digunakan untuk menurunkan tegangan dari
hubungan belitan ini adalah hubungan yang paling banyak dipergunakan di
lapangan.
Sebaliknya hubungan Δ-Y biasa digunakan untuk menaikkan tegangan
dari tegangan rendah ke tegangan menengah atau dari tegangan menengah ke tegangan tinggi. Hal ini juga bertujuan sama, agar pada sisi tegangan tingginya apabila akan dibumikan telah tersedia saluran netralnya.
Hubungan Δ-Δ adalah salah satu jenis hubungan belitan yang istimewa.
Keuntungannya yaitu salah satu kaki transformator dapat dipindahkan apabila
terjadi kerusakan atau apabila akan dilakukan perawatan, sementara dua yang tertinggal dapat terus beroperasi sebagai bank-3 fasa dengan rating kVA yang turun sampai dengan 57,7% dari bank yang asli. Hubungan ini dikenal sebagai
hubungan belitan open-delta. Hubungan Y-Y paling jarang digunakan karena kesukaran dalam gejala arus penalaan dan harmonisa.
II.6.2 Konstruksi Transformator Tiga Fasa
Dua jenis konstruksi yang biasa dipergunakan pada transformator tiga fasa
diperlihatkan pada Gambar 2.15 dan 2.16 berikut ini.
SEKUNDER PRIMER
R S
r s t
T
R
S
T
r
s
t PRIMER
SEKUNDER
Gambar 2.16. Transformator tiga fasa tipe cangkang
Pada jenis inti (core type) kumparan dililitkan di sekitar dua kaki inti magnetik
persegi, sedangkan pada jenis cangkang (shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga dengan laminasi silicon-steel. Umumnya digunakan untuk transformator yang bekerja pada frekuensi di bawah beberapa
ratus hertz. Silicon-steel memiliki sifat-sifat yang dikehendaki, yaitu murah, rugi inti rendah dan permeabilitas tinggi pada rapat fluks tinggi. Inti transformator
yang dipergunakan dalam rangkaian komunikasi pada frekuensi tinggi dan tingkat energi rendah kadang-kadang dibuat dari campuran tepung ferromagnetik yang dimanfaatkan sebagai permalloy.
Kebanyakan fluks terkurung dalam inti dan karena itu dirangkum oleh kedua kumparan. Meskipun fluks bocor yang dirangkum salah satu kumparan
membagi-bagi kumparan dalam bagian-bagian yang diletakkan sedekat mungkin
satu sama lainnya. Pada konstruksi jenis inti (core type), tiap kumparan dari dua bagian, satu bagian pada setiap kaki dari kedua kaki inti, kumparan primer dan
sekunder merupakan kumparan yang konsentris. Dalam konstruksi janis cangkang (shell type), berbagai variasi susunan kumparan konsentris dapat digunakan atau kumparan dapat terdiri dari sejumlah “apem” (pancake) tipis disusun dalam satu
tumpukan dengan kumparan primer dan sekunder berselang-seling.
II.6.3 Hubungan Tiga Fasa Pada Transformator
Secara umum hubungan belitan tiga fasa terbagi atas dua jenis, yaitu hubungan wye (Y) dan hubungan delta (Δ). Masing-masing hubungan belitan ini memiliki
karakteristik arus dan tegangan yang berbeda-beda. Baik sisi primer maupun sekunder masing-masing dapat dihubungkan wye ataupun delta.
Hubungan Wye
Hubungan (Y) ini dapat dilakukan dengan menggabungkan ketiga belitan
transformator yang memiliki rating yang sama.
Dari gambar di atas dapat diketahui sebagai berikut :
Hubungan delta (∆) ini juga mempunyai tiga buah belitan dan masing-masing
memiliki rating yang sama.
E1
Dari gambar di atas dapat kita ketahui sebagai berikut :
II.6.4 Macam Hubungan Belitan Transformator Tiga Fasa
Di dalam pelaksanaannya, tiga buah belitan fasa pada sisi primer dan sisi sekunder dapat dihubungkan dalam bermacam-macam hubungan, seperti
hubungan wye (Y) dan hubungan delta (∆), dengan kombinasi hubungan wye-wye
(Y-Y), hubungan wye-delta (Y-Δ), hubungan delta-wye (Δ-Y) dan hubungan delta-delta (Δ-Δ), bahkan untuk kasus-kasus tertentu belitan sekunder dapat
dihubungkan secara berliku-liku (zig-zag) sehingga diperoleh kombinasi ∆-Z dan
Y-Z.
Hubungan zig-zag merupakan hubungan wye “istimewa”. Hubungan ini
Hubungan Wye-Wye
Hubungan Y-Y pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.19 di bawah ini.
Gambar 2.19. Transformator hubungan Y-Y
Pada hubungan Y-Y, tegangan primer pada masing-masing fasa adalah :
3
LP P
V
Vφ = ...(2.36)
Tegangan fasa primer sebanding dengan tegangan fasa sekunder dan perbandingan belitan transformator. Maka diperoleh perbandingan tegangan pada transformator adalah :
a
Hubungan Wye-Delta
Hubungan Y-Δ pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.20 di bawah ini.
Gambar 2.20. Transformator hubungan Y-Δ
Pada hubungan ini, tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan
fasa primer VLP = 3VφP dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama dengan
tegangan fasa VLS = VφS. Sehingga diperoleh perbandingan tegangan pada
hubungan ini adalah sebagai berikut :
a
Hubungan Delta-Wye
Hubungan Δ-Y pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.21 di
bawah ini.
Gambar 2.21. Transformator hubungan Δ-Y
Pada hubungan ini, tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan fasa
primer VLP = VφP dan tegangan sisi sekunder VLS = 3VφS. Maka perbandingan
tegangan pada hubungan ini adalah :
a
Hubungan Delta-Delta
Hubungan Δ-Δ pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.22 di bawah ini.
Gambar 2.22. Transformator hubungan Δ-Δ
Pada hubungan ini, tegangan kawat ke kawat dan tegangan fasa sama untuk
primer dan sekunder transformator VLP = VφP dan VLS = VφS. Maka hubungan
tegangan primer dan sekunder transformator adalah sebagai berikut :
a
Perbedaan fasa pada hubungan ini tidak ada dan stabil terhadap beban tidak seimbang dan harmonisa.
II.7 ISOLASI TRANSFORMATOR
Pada penghantar yang dilewati oleh arus listrik selalu terjadi kerugian daya. Kerugian daya ini selanjutnya didesipasikan dalam bentuk energi panas. Suatu bahan isolasi dapat rusak disebabkan oleh panas dalam kurun waktu
kemampuan bahan menahan suatu panas tanpa terjadi kerusakan disebut
ketahanan panas (heat resistance).
Tabel 2.1. Klasifikasi bahan isolasi menurut IEC
Kelas Bahan Suhu kerja
maks.
Y
Katun, sutera alam, wolsintetis, rayon, serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen, karet.
90o C
A
Bahan kertas Y yang diimpregnasi dengan vernis, aspal, minyak transformator.
Email yang dicampur dengan vernis dan poliamid.
105o C
E
Email kawat yang terbuat dari : polivinil formal, poli urethan dan damar, bubuk plastik, bahan selulosa pengisi partinaks, tekstolit, triasetat, polietilen tereftalat.
120o C
B
Bahan anorgnik (mika, fiberglas, asbes) bitumen, bakelit, poli monochloro tri flour etilen, poli etilen tereftalat, poli karbonat, sirlak.
135o C
F
Bahan-bahan anorganik yang diimpregnasi atau direkat dengan epoksi, poliurethan, atau vernis dengan ketahanan panas yang tinggi.
155o C
H
Mika, fiberglas dan asbes yang diimpregnasi dengan silicon tanpa campuran bahan berserat, karet silicon, email kawat poliamid murni.
180o C
C
Bahan-bahan anorganik tanpa impregnasi atau diikat dengan substansi organik, yaitu : mika, mikanit tahan panas, mikaleks, gelas, keramik, teflon (politetra flouroetilen) adalah satu-satunya substansi organik.
Bahan isolasi cair berfungsi sebagai pengisolasi sekaligus sebagai
pendingin. Karena itu persyaratan untuk bahan cair yang dapat digunakan untuk isolasi antara lain mempunyai tegangan tembus dan daya hantar panas yang
tinggi.
Minyak transformator adalah minyak mineral yang diperoleh dengan pemurnian minyak mentah. Sebagai bahan isolasi, minyak transformator harus
mempunyai tegangan tembus yang tinggi. Ketahanan listrik minyak transformator dapat menurun karena pengaruh asam dan dapat pula karena kandungan air.
Keasaman minyak transformator dapat dinetralisir dengan menggunakan potas hydroksida (KOH). Sedangkan kandungan air dalam minyak transformator dapat
dihilangkan dengan memakai bahan hygroskopis yaitu silica-gel.
Umumnya transformator distribusi, kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam minyak transformator, karena minyak transformator mempunyai
sifat sebagai pemindah panas (disirkulasi) dan bersifat pula sebagai isolasi (tegangan tembus tinggi) sehingga minyak transformator tersebut berfungsi sebagai media pendingin sekaligus isolasi.
II.8 SISTEM PENDINGIN TRANSFORMATOR
Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu berlebihan, maka akan merusak isolasi di dalam transformator. Untuk mengurangi
kenaikan suhu yang berlebihan tersebut, maka pada transformator perlu dilengkapi dengan alat atau sistem pendingin yang dapat menyalurkan panas
Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa udara atau gas,
minyak, air dan lain sebagainya. Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat secara alamiah (natural) atau secara paksaan/ tekanan.
Pada cara alamiah, pengaliran media sebagai akibat adanya perbedaan suhu media dan untuk mempercepat perpindahan panas dari media tersebut ke udara luar diperlukan bidang perpindahan panas yang lebih luas antara media
dengan cara melengkapi transformator dengan sirip-sirip (radiator). Bila dinginkan penyaluran panas yang lebih cepat lagi, cara alamiah tersebut dapat
dilengkapi dengan peralatan untuk mempercepat sirkulasi media pendingin dengan pompa-pompa sirkulasi minyak, udara dan air. Cara ini disebut pendinginan paksa (forced). Macam-macam sistem pendingin transformator
berdasarkan media dan cara pengalirannya dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
Tabel 2.2. Macam sistem pendingin transformator menurut IEC
10. ONAN/ OFAF Kombinasi 3 dan 6
11. ONAN/ OFWF Kombinasi 3 dan 7
II.9 PERNAFASAN TRANSFORMATOR
Karena pengaruh naik turunya beban transformator maupun suhu udara luar, maka suhu minyak pun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan
minyak keluar dari dalam tangki, sebaliknya apabila suhu minyak turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki. Kedua proses di atas
disebut pernafasan transformator. Akibat pernafasan transformator tersebut, maka permukaan minyak akan selalu bersinggung dengan udara luar. Udara luar yang lembab akan menurunkan nilai tegangan tembus minyak transformator, maka
BAB III HARMONISA
III.1 Umum
Dalam sistem tenaga listrik yang ideal, bentuk gelombang tegangan yang
disalurkan ke peralatan konsumen dan bentuk gelombang arus yang dihasilkan adalah gelombang sinus murni.
Harmonisa adalah gangguan yang terjadi dalam sistem distribusi tenaga listrik yang disebabkan karena adanya distorsi gelombang arus dan tegangan. Distorsi gelombang arus dan tegangan ini disebabkan karena adanya pembentukan
gelombang-gelombang dengan frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya (mis: 100Hz, 150Hz, 200Hz, dst). Semakin tinggi tingkatan
Gelombang sinusoidal dapat terbentuk dengan menjumlahkan
gelombang-gelombang sinusoidal, seperti terlihat pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Gelombang Fundamental, Harmonisa Ketiga, dan Hasil Penjumlahannya
III.2 Sumber Harmonisa
Beban listrik yang menjadi sumber harmonisa dapat dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu beban linier dan beban non linier.
III.2.1 Beban Linier
Beban linier mempunyai gelombang arus dan tegangan yang saling
mengikuti satu sama lain dengan sangat dekat, seperti tegangan jatuh pada resistansi yang konstan. Hubungan ini lebih dikenal dengan hukum Ohm yaitu ί(t)
= υ(t) / R. Jumlah panas yang dihasilkan beban linier yang resistif seperti
pemanasan elemen atau lampu-lampu pijar dapat mudah ditentukan karena panas yang dihasilkan sebanding dengan kuadrat arus. Pada rangkaian induktif tegangan
mendahului arus dan rangkaian kapasitif arus yang mendahului tegangan.
Gambar 3.3(a) Hubungan antara tegangan, arus, dan daya pada rangkaian resistif murni
Gambar 3.3(c) Arus mendahului tegangan (rangkaian kapasitif)
Contoh beban linier yaitu lampu pijar dan pemanas listrik (elemen resistif), motor induksi, generator induksi (elemen induktif), kabel bawah tanah, kabel isolasi,
kapasitor yang digunakan pada filter harmonisa (elemen kapasitif).
III.2.2 Beban Non Linier
Beban ini mempunyai bentuk gelombang arus yang tidak menyerupai bentuk gelombang tegangannya. Pada sistem tenaga, beban non linier yang paling
biasa digunakan adalah peralatan-peralatan penyearah pada converter daya, uninterruptible power supply (UPS), lampu TL. Beban non linier menyebabkan
gangguan-gangguan seperti distorsi gelombang tegangan, pemanasan berlebih pada transformator dan peralatan elektronika daya lainnya, interferensi gelombang pada telepon, masalah pada kendali mikroprosesor, dan lainnya.
Dari dua jenis beban yang menjadi sumber harmonisa seperti yang telah disebutkan di atas, beban non linier lah yang paling dominan memunculkan
III.3 Standarisasi Harmonisa
Pada IEEE 519-1992 ditujukan untuk membatasi besarnya arus dan tegangan harmonisa pada beban dan sistem pembangkitan. Pada beban individu,
standar IEEE 519-1992 membatasi level arus harmonisa pada point of common coupling (PCC). PCC diartikan sebagai poin dimana dua atau lebih beban
sama-sama memakai tegangan yang sama-sama. Konsep PCC dapat dijelaskan pada gambar
3.4. Pada sistem pembangkitan, sejak distorsi tegangan harmonisa meningkat yang berasal dari interaksi antara arus beban terdistorsi dan impedansi sistem
pembangkitan, sistem tersebut bertanggungjawab pada pembatasan tegangan terdistorsi pada PCC. Batasan-batasan diberikan pada komponen harmonisa individu maksimum dan pada THD (Total Harmonic Distortion).
IHD (Individual Harmonic Distortion) adalah rasio antara nilai RMS dari harmonisa individual dan nilai RMS dari fundamental.
Pada definisi ini, nilai IHD1 selalu 100%. Hal ini sesuai dengan persetujuan IEEE yang dimana distorsi harmonisa didasarkan pada nilai fundamentalnya.
THD (Total Harmonic Distortion) adalah rasio antara nilai RMS dari komponen harmonisa dan nilai RMS dari fundamental. Misalnya, arus nonlinier mempunyai komponen fundamental I1 dan komponen harmonisanya I2, I3, I4, …,
Beban (dalam studi) Beban Lainnya
Sistem Pembangkit PCC
IL
(a)
Beban (dalam studi) Beban Lainnya
Sistem Pembangkit
PCC
IL
(b)
Gambar 3.4 (a). PCC pada primer transformator dimana berbagai pelanggan dilayani, (b). PCC pada sekunder transformator dimana berbagai pelanggan
dilayani.
Ada dua kriteria yang digunakan dalam mengevaluasi distorsi harmonisa, yaitu evaluasi harmonisa untuk batasan arus dan batasan tegangan.
• Evaluasi harmonisa untuk batasan tegangan
Ada dua hal penting untuk membatasi level distorsi tegangan yaitu:
1. Arus harmonisa yang berasal dari beban individual pada sistem harus dibatasi. Arus ini tersebar ke arah sumber daya melalui
2. Distorsi tegangan menjadi tinggi secara berlebihan meskipun
besarnya arus harmonisa yang ditimbulkan tidak melewati batas. Ini menjadi penyebab yang utama ketika satu dari frekuensi arus
harmonisa dekat dengan frekuensi sistem resonansi yang ada pada kapasitor pada umumnya.
Tabel 3.1 Batasan Distorsi Tegangan Tegangan Bus pada
PCC
Individual Voltage
Distortion (%)
Total Voltage Distortion
THD (%)
≥ 69 kV 3.0 5.0
69,001 kV – 161 kV 1.5 2.5
≤ 161,001 kV 1.0 1.5
Sumber : A. Kusko & Marc T. Thompson, “Power Quality in Electrical System”, hal. 16
• Evaluasi harmonisa untuk batasan arus
Untuk standar harmonisa arus, ditentukan oleh rasio ISC/IL, ISC adalah arus hubung singkat maksimum pada PCC, dan IL adalah arus beban maksimum (komponen
frekuensi fundamental) pada PCC.
Tabel 3.2 Batasan Distorsi Arus
Distorsi Arus Harmonisa Maksimum dalam %IL
Urutan Harmonisa Individual (Harmonisa Ganjil)
ISC/IL < 11 11 ≤ h < 17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 35 ≤ h TDD
< 20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0
20 – 50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0
50 – 100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0
TDD (Total Demand Distortion) dinyatakan dalam hubungan dengan IL yaitu:
III.4 Pengaruh Harmonisa pada Komponen Sistem Distribusi
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 harmonisa ketiga yang
dibangkitkan oleh peralatan listrik satu fasa. Pada keadaan normal, arus beban setiap fasa dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban tidak linier
akan menimbulkan harmonisa kelipatan tiga ganjil yang disebut triplen harmonik (harmonisa ke-3, ke-9, ke-15, dan seterusnya) yang sering disebut zero sequence
harmonic. Harmonisa ini tidak menghilangkan arus netral tetapi dapat
menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus fasanya. Harmonisa pertama urutan polaritasnya adalah positif, harmonisa kedua urutan polaritasnya adalah
Tabel 3.3 Urutan polaritas harmonisa pada sistem tiga fasa
Harmonisa ke- 1 2 3 4 5 6 7 8…
Frekuensi (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400…
Urutan + - 0 + - 0 + -…
Tabel 3.4 Akibat dari polaritas komponen harmonisa Urutan Pengaruh pada sistem distribusi
Positif • Panas
Negatif
• Panas
• Arah putaran motor berubah
Nol
• Panas
• Menimbulkan/menambah arus pada kawat netral
Akibat yang dapat ditimbulkan oleh urutan polaritas komponen harmonisa (pada tabel 3.2) antara lain tingginya arus netral pada sistem 3 fasa 4 kawat (sisi
sekunder transformator) karena arus urutan nol (zero sequence) dan arus ini akan terinduksi ke sisi primer transformator dan akan berputar pada sisi primer transformator yang biasanya memiliki hubungan belitan delta. Hal ini akibat pada
kawat netral tidak memiliki peralatan pemutus arus untuk proteksi tegangan atau arus lebih. Pengaruh harmonisa pada transformator sering tanpa disadari dan
kerjanya, selain itu transformator juga merupakan media utama antar pembangkit
dengan beban. Frekuensi harmonisa yang lebih tinggi dari frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi atau terjadi kerugian daya. Selain itu, ada
beberapa akibat yang dapat ditimbulkan oleh adanya harmonisa dalam sistem tenaga listrik, antara lain:
1. Timbulnya getaran mekanis pada panel listrik yang merupakan getaran
resonansi mekanis akibat harmonisa arus frekuensi tinggi.
2. Harmonisa dapat menimbulkan tambahan torsi pada kWh meter jenis
elektromekanis yang menggunakan piringan induksi berputar. Sebagai akibatnya terjadi kesalahan ukur kWh meter karena piringan induksi tersebut dirancang hanya untuk beroperasi pada frekuensi dasar.
3. Interferensi frekuensi pada sistem telekomunikasi karena biasanya kabel untuk keperluan telekomunikasi ditempatkan berdekatan dengan kawat
netral. Triplen harmonisa pada kawat netral dapat memberikan induksi harmonisa yang mengganggu sistem telekomunikasi.
4. Pemutusan beban. Pemutusan beban dapat bekerja dibawah arus
III.5 Metode Penghilangan Harmonisa
1. Filter Pasif
Filter Pasif Shunt
Pemakaian filer pasif shunt merupakan metode paling umum untuk mengeliminir arus harmonisa dan menjadi ketentuan pada standar IEEE 519. Filter biasanya
dibuat menjadi satu atau lebih bagian, seperti gambar 3.5. Filter single-tuned RLC untuk masing-masing frekuensi harmonisa merupakan filter yang paling umum
digunakan. Filter pasif shunt ini terhubung shunt dengan sistem tenaga.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 3.5 (a). Single-tuned filter, (b). First order high-pass filter, (c). Second order high-pass filter, (d). Third order high-pass filter
Besarnya impedansi Z pada filter single-tuned yaitu:
Dimana:
dengan: R = resistansi ekivalen dari sumber dan transformator ( Ohm ) Leq = induktansi ekivalen dari sumber dan transformator ( Henry )
C = kapasitansi dari kapasitor bank ( Farad )
Pada frekuensi resonansi, jelas kelihatan bahwa impedansi paralel dari kombinasi induktansi ekivalen dan kapasitansi menjadi sangat besar, yaitu:
dimana Q = XL/R = XC/R dan R << XLeq , dengan Q adalah factor kualitas dari rangkaian resonansi. Nilai Q dipertimbangkan berdasarkan lokasi sistem tenaga.
Nilai Q untuk saluran sistem distribusi adalah kurang dari 5 dan nilai Q untuk sisi sekunder trafo step-down adalah lebih dari 30.
Filter Pasif Seri
Filter ini terhubung seri dengan beban. Induktansi dan kapasitansi terhubung
paralel dan ditala untuk memberikan impedansi tinggi pada frekuensi harmonisa yang dipilih. Filter pasif seri digunakan untuk menghalangi satu arus harmonisa
berbagai arus harmonisa, masing-masing arus harmonisa membutuhkan sebuah
filter seri yang ditala ke harmonisa tersebut.
C L
Gambar 3.6 Filter Pasif Seri
Low-pass broadband filter
Filter ini merupakan gabungan antara filter pasif shunt dan filter pasif seri. Filter
ini digunakan untuk menghalangi berbagai frekuensi harmonisa. Arus dengan komponen frekuensi di bawah frekuensi cutoff filter dapat lewat, sedangkan arus
dengan komponen arus harmonisa di atas frekuensi cutoff tidak akan dilewatkan.
L
C
Gambar 3.7 Low-pass broadband filter
C Filter
Filter ini merupakan alternatif dari penggunaan low-pass broadband filter dalam
mengurangi berbagai frekuensi harmonisa. Konfigurasi dari C filter hampir identik dengan second-order high-pass filter. Perbedaan utamanya yaitu pada C
Gambar 3.8 C Filter
2. Filter Aktif
Filter ini menggunakan kendali mikroprosesor dalam aplikasinya, dimana pada filter ini terdapat metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) dan insulated gate bipolar transistor (IGBT) yang dapat switch on dan off dengan
kecepatan switching yang cepat.
3. Filter Hybrid
Filter ini merupakan gabungan antara filter pasif dan filter aktif.
III.5 Deret Fourier
Setiap fungsi periodik f(ωt) dapat diuraikan menjadi deret trigonomerti tak
terhingga dan disebut deret Fourier. Supaya dapat diuraikan menjadi deret Fourier, fungsi tersebut harus memenuhi kondisi sebagai berikut:
• Fungsi tersebut merupakan fungsi periodik dan memenuhi relasi
f(ωt) = f(ωt + 2π) dengan periode 2π.
• Integral mempunyai harga tertentu untuk setiap
• Fungsi f(ωt) merupakan fungsi kontinu atau fungsi yang tidak kontinu
yang diskontinuitasnya tertentu dalam satu periode.
• Dalam satu periode fungsi f(ωt) mempunyai harga maksimum dan
minimum yang jumlahnya tertentu.
Ambil suatu fungsi periodik f(ωt) maka deret Fourier untuk fungsi tersebut
sebagai berikut:
A0, An, dan Bn disebut koefisien Fourier dan ditentukan dengan persamaan:
n = 1, 2, 3, …
III.5.1 Simetri Genap
Ini berarti fungsi tersebut simetri terhadap sumbu vertikal. Untuk fungsi ini dapat
dibuktikan bahwa koefisien Bn sama dengan nol.
Misalkan integral pertama dari persamaan diatas sama dengan α dan variabel ωt
pada integral pertama diganti dengan –ωt dimana fungsi f(ωt) = f(-ωt), maka didapat:
dimana f(ωt) = f(-ωt), maka besarnya α menjadi:
Sehingga untuk fungsi simetri genap berlaku:
dimana:
III.5.2 Simetri Ganjil
Fungsi simetri ganjil mempunyai sifat simetri dengan hubungan sebagai
berikut:
f(ωt) = - f(-ωt)
Untuk fungsi simetri ganjil dapat dibuktikan bahwa koefisien An = 0 atau
Misalkan integral pertama dari persamaan diatas sama dengan β dan variabel ωt
pada integral pertama diganti dengan –ωt dimana fungsi f(ωt) = - f(-ωt), maka didapat:
dimana f(ωt) = - f(-ωt), maka besarnya β menjadi:
dan besarnya nilai An menjadi:
Dengan cara yang sama dapat dibuktikan bahwa:
Sehingga untuk fungsi simetri ganjil berlaku:
III.5.3 Simetri Setengah Gelombang
Fungsi simetri setengah gelombang mempunyai sifat simetri dengan
hubungan sebagai berikut:
f(ωt) = - f(ωt ± π)
Untuk fungsi simetri setengah gelombang dapat ditentukan hubungan sebagai
berikut:
Misalkan integral pertama dari persamaan diatas sama dengan γ dan variabel ωt
pada integral pertama diganti dengan (ωt ± π) dimana fungsi f(ωt) = - f(ωt ± π),
Karena sin(nπ) = 0, maka didapat:
dan besarnya nilai An menjadi:
Faktor [1 – cos(nπ)] menunjukkan bahwa An = 0 bila n genap, sehingga didapat:
BAB IV
PENGARUH HARMONISA TERHADAP RUGI-RUGI PADA GARDU TRAFO TIANG DAYA 160 kVA
IV.1 UMUM
Transformator dirancang untuk menyalurkan daya yang dibutuhkan ke beban dengan rugi-rugi yang minimum pada frekuensi fundamentalnya. Pengaruh
utama harmonisa sistem tenaga pada transformator adalah panas lebih yang dibangkitkan oleh rugi-rugi arus beban yang mengandung harmonisa. Masalah ini kemungkinan disebabkan oleh timbulnya harmonisa antara induktansi
transformator dan kapasitansi sistem, tekanan-tekanan mekanis isolasi belitan dan laminasi serta getaran. Pemanasan lebih yang disebabkan oleh harmonisa sistem
menyebabkan kemampuan pembebanan transformator harus dikurangi atau menggunakan transformator desain khusus untuk arus beban nonsinusoidal. Bila dioperasikan terus pada kondisi ini, umur transformator akan berkurang sebagai
akibat beroperasi diatas temperatur kerjanya dan lebih jauh dapat mengakibatkan kerusakan. Rugi-rugi arus eddy perlu diamati karena distorsi arus beban relatif
tinggi. Dengan arus frekuensi harmonisa lebih tinggi menyebabkan bertambahnya rugi-rugi inti yang sebanding terhadap kuadrat arus beban rms dan kuadrat frekuensi. Bertambahnya rugi-rugi arus eddy karena harmonisa, berpengaruh
Terdapat tiga hal yang mempengaruhi kenaikan suhu transformator ketika
arus beban mengandung komponen harmonisa yaitu:
1. Arus rms. Apabila transformator dirancang hanya untuk memenuhi kVA
beban maka arus rms transformator akibat harmonisa akan melebihi dari kapasitasnya. Kenaikan arus rms total akan menyebabkan kenaikan rugi-rugi pada penghantar.
2. Rugi-rugi arus eddy. Fluks magnetik akan menimbulkan arus induksi, pada transformator, arus induksi ini terdapat pada belitan, inti dan logam
lainnya yang dilalui fluks magnetik. Komponen rugi-rugi transformator ini sebanding dengan kuadrat frekuensi arus eddy, sehingga menjadi komponen yang penting dalam rugi-rugi transformator akibat harmonisa.
3. Rugi-rugi inti. Kenaikan rugi-rugi inti oleh harmonisa tergantung pada pengaruh harmonisa pada tegangan yang dipakai dan rancangan dari inti
IV.2 PERSAMAAN YANG DIGUNAKAN DALAM PERHITUNGAN
Persamaan-persamaan yang digunakan dalam menganalisa pengaruh harmonisa terhadap rugi-rugi pada gardu trafo tiang yaitu:
IV.2.1 Perhitungan Arus Beban Penuh dan Arus Hubung Singkat Transformator
Daya transformator bila ditinjau dari sisi tegangan tinggi (primer) dapat dituliskan persamaannya sebagai berikut:
dimana: S = daya transformator (kVA)
V = tegangan sisi primer transformator (kV)
I = arus jala-jala (ampere)
Sehingga untuk menghitung arus beban penuh (full load) dapat menggunakan
persamaan:
dimana: IFL = arus beban penuh (ampere)
S = daya transformator (kVA)
V = tegangan sisi sekunder transformator (kV)
dimana: ISC = arus hubung singkat (ampere)
kVA = daya transformator (kVA)
kV = tegangan sisi sekunder transformator (kV)
% Z = impedansi transformator
IV.2.2 Analisa Pengaruh Harmonisa pada Transformator
Pengaruh harmonisa pada netral transformator diakibatkan karena adanya triplen harmonisa (harmonisa ke-3, ke-9, ke-15, dst) yang merupakan urutan nol
(zero sequence), sehingga dapat dituliskan besarnya THD arus urutan nol masing-masing fasa berdasarkan persamaan 3.1 dan persamaan 3.3 yaitu:
dimana: THD = Total Harmonic Distortion (%) IHD = Individual Harmonic Distortion (%)
dan besarnya arus urutan nol masing-masing fasa yaitu:
Besarnya I2R sebanding dengan arus rmsnya dan besarnya arus eddy sebanding
dengan kuadrat arus dan frekuensi, yang dapat dituliskan sebagai berikut:
dengan KEC nilainya konstan.
Untuk menentukan rugi-rugi beban (PLL) transformator dalam per-unit pada keadaan arus terdistorsi dapat dituliskan sebagai berikut:
dimana: PEC-R = faktor eddy current loss h = angka harmonisa
Ih = arus harmonisa
∑ Ih2 merupakan komponen rugi I2R dalam p.u dan ( ∑ Ih2 x h2 ) PEC-R merupakan
komponen rugi arus eddy dalam p.u.
Untuk menentukan faktor eddy current loss dapat dilihat pada tabel 4.1 berikut ini:
Tabel 4.1 Nilai dari PEC-R
Type MVA Voltage PEC-R (%)
Dry
≤ 1 − 3 – 8
≥ 1,5 5 kV HV 12 – 20
≤ 1,5 15 kV HV 9 – 15
Oil - filled
≤ 2,5 480 V LV 1
2,5 – 5 480 V LV 1 – 5
> 5 480 V LV 9 – 15
IV.3 Peralatan Yang Digunakan
Alat ukur yang digunakan: FLUKE 435 Power Quality Analyzer
Gambar 4.1 Alat ukur yang digunakan yaitu FLUKE 435 Power Quality Analyzer
Gambar 4.3 Hubungan Alat ke Sistem Distribusi Tiga Fasa
Pertama tempatkan penjepit-penjepit arus disekitar konduktor pada fasa A
(L1), B(L2), C(L3), dan N(Netral). Kemudian dibuat hubungan-hubungan tegangan dimulai dari G(Ground) dan selanjutnya secara berurut-urut dihubungkan untuk N(Netral), A(L1), B(L2), dan C(L3).
Pada layar alat ukur akan ditampilkan hasil pengukuran seperti gambar di bawah ini.
IV.4 DATA HASIL PENGUKURAN
Spesifikasi trafo tiang adalah sebagai berikut:
Daya : 160 kVA
Tegangan Kerja : 21/20,5/20/19,5/19 kV // 400 V
Arus : 5 – 243 A
Vektor Grup : Yzn - 5
Impedansi : 4 %
Trafo : 3 fasa
Pengukuran dilakukan pada trafo tiang berikut ini: Kode : MK – 529
Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Trafo MK - 529
Fasa Tegangan (V)
Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Kandungan Harmonisa Arus Ganjil
Pada tabel 4.3, besarnya arus In masing-masing fasa diperoleh berdasarkan
persamaan 3.1 dimana n adalah urutan harmonisanya. Untuk arus fundamentalnya I1 diperoleh berdasarkan pengukuran arus masing-masing fasa pada tabel 4.2.
IV.5 ANALISA DATA PENGUKURAN
Analisa Data Pengukuran Trafo MK – 529
Analisa Arus Beban Penuh dan Arus Hubung Singkat: Z = 4 % ; S = 160 kVA ; VL-L = 0,4 kV
Analisa Pembebanan pada Trafo Tiang:
Tabel 4.4 Analisa Pembebanan pada Trafo Tiang
Fasa Arus Nominal (A) Arus Full Load (A) % Pembebanan
R 172 230,94 74,48
S 169 230,94 73,18
T 229 230,94 99,16
Dari tabel di atas, rata-rata pembebanan ketiga fasa adalah 82,27%.
Analisa THD Tegangan:
Tabel 4.5 Analisa THD Tegangan pada Trafo Tiang
Fasa THDV
Pengukuran (%)
THDV
Standard (%) Keterangan
R 1,1 5 Tidak Melebihi
Standard
S 1,1 5 Tidak Melebihi
Dari tabel di atas terlihat bahwa THD tegangan pada ketiga fasa masih jauh dibawah standard.
Analisa THD (Total Harmonic Distortion) Arus pada Trafo Tiang:
Tabel 4.6 Analisa THD Arus pada Trafo Tiang
Fasa IL ISC / IL Range Pengukuran 11 < h < 15, dan THD arus total tidak melebihi standard.
Analisa Pengaruh Harmonisa pada Trafo Tiang:
a) Terhadap Netral:
THD arus urutan nol fasa R =
THD arus urutan nol fasa S =
= (4,32 + 12 + 0,32)0,5 = 4,42% I urutan nol fasa S = 4,42% x 169 = 7,47 A
THD arus urutan nol fasa T =
= (4,32 + 1,22 + 0,32)0,5 = 4,47% I urutan nol fasa T = 4,47% x 229 = 10,24 A
THD arus urutan nol Netral =
= (40,92 + 26,72 + 7,32)0,5 = 49,39% I urutan nol fasa Netral = 49,39% x 53 = 26,18 A
Tabel 4.7 Pengaruh Harmonisa Terhadap Netral Trafo Tiang
Fasa I urutan nol (A) THD Arus urutan nol (%)
R 8,79 5,11
S 7,47 4,42
T 10,24 4,47
Netral 26,18 49,39
b) Terhadap Rugi-rugi:
• Perhitungan rugi-rugi beban ( PLL ) dalam p.u. pada fasa R
Tabel 4.8 Perhitungan Komponen Rugi-Rugi pada Transformator Fasa R h Ih (A) Ih (pu) h2 Ih(pu)2 Ih(pu)2 x h2
1 172 1,00 1 1,0000 1,0000
3 8,6 0,05 9 0,0025 0,0225
5 2,92 0,0169 25 0,00029 0,00725 7 1,38 0,008 49 0,000064 0,00314
9 1,72 0,01 81 0,0001 0,0081
11 0,69 0,004 121 0,000016 0,00194 13 0,17 0,001 169 0,000001 0,00017 15 0,69 0,004 225 0,000016 0,0036
Σ 1,002987 1,0467
Besarnya rugi-rugi beban ( PLL ) pada fasa R adalah:
,
dimana nilai PEC-R sesuai tabel 4.1 adalah 0,01.
PLL = 1,003 + 1,0467 x 0,01 = 1,0135 p.u.
Jika rugi I2R fundamentalnya adalah 1,0 p.u. dan rugi eddy current
fundamentalnya adalah 1,0 x PEC-R p.u ,dimana besarnya PEC-R = 0,01 p.u, maka dapat dituliskan bahwa pertambahan I2R dan
pertambahan eddy current akibat harmonisa pada fasa R yaitu: Pertambahan I2R = 1,003 – 1,000 = 0,003 p.u.
• Perhitungan rugi-rugi beban ( PLL ) dalam p.u. pada fasa S
Tabel 4.9 Perhitungan Komponen Rugi-Rugi pada Transformator Fasa S h Ih (A) Ih (pu) h2 Ih(pu)2 Ih(pu)2 x h2
1 169 1,00 1 1,0000 1,0000
3 7,27 0,043 9 0,00185 0,0167
5 1,86 0,011 25 0,00012 0,003
7 1,86 0,011 49 0,00012 0,0059
9 1,69 0,01 81 0,0001 0,0081
11 0,51 0,003 121 0,000009 0,0011 13 0,17 0,001 169 0,000001 0,00017 15 0,51 0,003 225 0,000009 0,00203
Σ 1,00221 1,037
Besarnya rugi-rugi beban ( PLL ) pada fasa S adalah:
,
dimana nilai PEC-R sesuai tabel 4.1 adalah 0,01. PLL = 1,00221 + 1,037 x 0,01 = 1,0126 p.u.
Jika rugi I2R fundamentalnya adalah 1,0 p.u. dan rugi eddy current
fundamentalnya adalah 1,0 x PEC-R p.u ,dimana besarnya PEC-R = 0,01 p.u, maka dapat dituliskan bahwa pertambahan I2R dan
pertambahan eddy current akibat harmonisa pada fasa S yaitu:
Pertambahan I2R = 1,00221 – 1,000 = 0,00221 p.u.
Pertambahan eddy current = (1,037 x 0,01) – (1,000 x 0,01)
• Perhitungan rugi-rugi beban ( PLL ) dalam p.u. pada fasa T
Tabel 4.10 Perhitungan Komponen Rugi-Rugi pada Transformator Fasa T h Ih (A) Ih (pu) h2 Ih(pu)2 Ih(pu)2 x h2
1 229 1,00 1 1,0000 1,0000
3 9,85 0,043 9 0,00185 0,0167
5 6,18 0,027 25 0,00073 0,0183 7 1,15 0,005 49 0,00003 0,0015 9 2,75 0,012 81 0,00014 0,0113 11 2,06 0,009 121 0,00008 0,0097 13 0,92 0,004 169 0,00002 0,0034 15 0,69 0,003 225 0,00001 0,0023
Σ 1,00286 1,0632
Besarnya rugi-rugi beban ( PLL ) pada fasa T adalah:
,
dimana nilai PEC-R sesuai tabel 4.1 adalah 0,01. PLL = 1,00286 + 1,0632 x 0,01 = 1,0135 p.u.
Jika rugi I2R fundamentalnya adalah 1,0 p.u. dan rugi eddy current
fundamentalnya adalah 1,0 x PEC-R p.u ,dimana besarnya PEC-R = 0,01 p.u, maka dapat dituliskan bahwa pertambahan I2R dan
pertambahan eddy current akibat harmonisa pada fasa T yaitu:
Pertambahan I2R = 1,00286 – 1,000 = 0,00286 p.u.
Pertambahan eddy current = (1,0632 x 0,01) – (1,000 x 0,01)
