Analisis kebutuhan filter pasif untuk mengurangi gangguan harmonisa dan perbaikan faktor daya menggunakan Second Order Damped (Studi Kasus Pada Transformator 400 kVA Di Politeknik Negeri Medan)

ANALISIS KEBUTUHAN FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI

GANGGUAN HARMONISA DAN PERBAIKAN FAKTOR

DAYA MENGGUNAKAN SECOND ORDER DAMPED

(STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR 400

KVA POLITEKNIK NEGERI MEDAN)

TESIS

Oleh

S I L M I

087034010/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ANALISIS KEBUTUHAN FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI

GANGGUAN HARMONISA DAN PERBAIKAN FAKTOR

DAYA MENGGUNAKAN SECOND ORDER DAMPED

(STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR 400

KVA POLITEKNIK NEGERI MEDAN)

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik

Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro

Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

S I L M I

087034010/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Judul Tesis : ANALISIS KEBUTUHAN FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI GANGGUAN HARMONISA DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA MENGGUNAKAN

SECOND ORDER DAMPED (STUDI KASUS PADA

TRANSFORMATOR 400 KVA POLITEKNIK NEGERI MEDAN)

Nama Mahasiswa : S i l m i

NIM : 087034010

Program Studi : Magister Teknik Elektro

Menyetujui

Komisi Pembimbing

(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai)

Ketua

(Ir. Ashuri, MT)

Anggota

Ketua Program Studi,

(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai)

Dekan,

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)

Tanggal Lulus : 13 Agustus 2011

Tanggal : 13 Agustus 2011

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai

Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul akibat pengoperasian beban listrik non linier, yang merupakan sumber terbentuknya gelombang frekuensi tinggi kelipatan dari frekuensi fundamentalnya. Frekuensi tinggi ini dapat meng-ganggu sistem kelistrikan, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan yang idealnya adalah sinusoidal murni menjadi cacat. Dampak dari tegangan dan arus ini dapat menimbulkan panas yang berlebihan, rugi-rugi energi dan menurunnya faktor daya sehingga pada akhirnya penggunaan energi listrik menjadi tidak efisien.

Beban listrik non linier umumnya menggunakan komponen elektronika daya yang pada prosesnya bekerja sebagai saklar, menghasilkan gangguan gelombang yang tidak sinusoidal. Untuk meredam harmonisa yang terjadi, diperlukan filter agar

Distortion Harmonisa Total (THD) arus dan tegangan tidak melebihi standard IEEE

519-1992. Filter yang dirancang dalam penelitian ini adalah filter pasif dengan tipe

second order damped. Untuk melihat besarnya kandungan harmonisa yang

ditim-bulkan oleh beban non linier digunakan alat ukur Power Quality Analyzer.

Penelitian ini dilakukan pada sistem tegangan rendah 380 volt dari transformator distribusi dengan kapasitas 400 kVA di Politeknik Negeri Medan. Perancangan filter dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan program

MATLAB/SIMULINK. Melalui simulasi dapat diketahui THDi dan THDv sebelum

dan setelah menggunakan filter, kemudian akan dibandingkan dengan standar IEEE 519-1992. Dengan menggunakan filter second order, THDi dapat berkurang dari 24,85% menjadi 6,62%, sedangkan THDv bertambah dari 2,99% menjadi 3,47% dan faktor daya dapat ditingkatkan dari 0,73 menjadi 0,978 lagging.

Kata kunci: Harmonisa, faktor daya, filter second order damped, THD.

ABSTRACT

Harmonics is a phenomenon which arises as the effect of operating non linear electrical load it becomes the source of the formation of high frequency waves, multiplied from its fundamental frequency. This high frequency can disrupt the electrical system so that the ideal pure sinusoidal current waveform and tension become defective. The effects of these tension and current can cause excessive heat, energy losses, and the decrease in power factor which eventually the use of electrical energy becomes inefficient.

The non-linear electrical load generally uses electronic power components which, in its process, function as the switch and causes non-sinusoidal wave distortion. In order to muffle the incident of harmonics, a filter is used so that the Total Harmonics Distortion (THD) of current and waves do not exceed the IEEE 519-1992 standard. The filter, designed in this research, was the passive filter with second order damped type. The measuring instrument of Power Quality Analyzer was used to know the harmonics content caused by the non linear load.

This research was conducted with the system of low voltage of 380 volts from the distributive transformer with the capacity of 400 kVA at Politeknik Negeri, Medan. The filter design was modeled and simulated by using MATLAB/SIMULINK program. Through the simulation, the THD and THDv could be known before and after using the filter; it was then compared with the IEEE 519-1992 standard. By using the second order filter, the THDi could decrease from 24.85% to 6.62%, whereas THDv could increase from 2.99% to 3.47%, and the power factor could be increased from 0.73 to 0.978 lagging.

KATA PENGANTAR

Dengan mengucapkan puji syukur kepada ALLAH SWT, penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul: ANALISIS KEBUTUHAN FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI GANGGUAN HARMONISA DAN PERBAIKAN

FAKTOR DAYA MENGGUNAKAN SECOND ORDER DAMPED (STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR 400 KVA POLITEKNIK NEGERI

MEDAN), yang merupakan salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Pascasarjana pada Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Pada kesempatan yang berbahagia ini penulis mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME sebagai Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera dan sekaligus sebagai ketua komisi pembimbing, yang telah banyak memberikan dorongan semangat, arahan, petunjuk serta nasehat yang bermanfaat dalam menentukan langkah-langkah penelitian dan penulisan, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Bapak Ir. Ashuri MT, selaku komisi pembimbing yang telah memberikan banyak bantuan, arahan, petunjuk dan nasehat yang bermanfaat kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini tepat pada waktunya. Bapak Ir. Riswan Dinzi MT, Bapak Ir. Suprapto MT dan Bapak Dr. Eng. Ariadi Hazmi, selaku Pembanding Utama I, II dan III. Bapak Ir. Zulkifli Lubis, M. I. Komp., direktur Politeknik Negeri Medan yang telah memberikan izin belajar, dorongan semangat serta dukungan materil dan moril kepada penulis. Teristimewa kepada istri tercinta Ir. Rina Anugrahwaty MT dan anak-anakku tersayang, Insidini Fawwaz, Sharfina Faza dan Faizzufar Taqy yang telah memberikan semangat, sehingga penulis dapat me-nyelesaikan pendidikan S2 Teknik Elektro. Bapak-bapak dosen, rekan-rekan

mahasiswa dan rekan sejawat di Politeknik Negeri Medan yang telah banyak berpartisipasi membantu sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberikan bantuan dan dukungan baik moril maupun materil kepada penulis. Semoga Allah memberikan kebahagiaan, berkah dan karunia kepada semua pihak yang telah membantu penulis sehingga selesainya tulisan ini. Semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membaca. Terima kasih.

Medan, Oktober 2011 Penulis

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan dibawah ini, Nama : S i l m i

Tempat/Tanggal lahir : Medan, 28 Oktober 1959 Jenis Kelamin : Laki – laki

Agama : Islam Bangsa : Indonesia

Alamat : Jl. Dahlia Raya, Perumahan Dahlia No. 18 Helvetia Medan

Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa:

PENDIDIKAN

1.Tamat SD Negeri 96, Medan Tahun 1969 2.Tamat SMP Negeri I, Medan Tahun 1975 3.Tamat SMA Harapan Medan Tahun 1979 4.Tamat Akademi Teknik Harapan Medan Tahun 1983 5.Tamat Sarjana Teknik Elektro UMA, Medan Tahun 1989

PEKERJAAN

1. Staf Pengajar Politeknik Negeri Medan Tahun 1991 - sekarang.

Demikianlah riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.

Medan, Oktober 2011 Tertanda,

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK

………

.... i

ABSTRACT

………

. ii

KATA PENGANTAR

………

.

…

iii

DAFTAR ISI

………...

.. iv

DAFTAR TABEL

………

... vi

DAFTAR GAMBAR

………

...

v

BAB 1 PENDAHULUAN ………... 1

1.1 Latar Belakang Masalah………... 1

1.2 Rumusan Masalah………... 6

1.3 Batasan Masalah………. 6

1.4 Tujuan Penelitian……….… 7

1.5 Manfaat Penelitian……….….. 7

1.6 Metodologi Penelitian……….….… 7

1.7 Sistematika Pembahasan………... 7

1.8 Relevansi………... 8

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ……….… 9

2.1 Resonansi………. 9

2.1 Resonansi Seri………. 10

2.2 Resonansi Paralel……….………... 12

2.3 Rangkaian RLC kombinasi……… ……… 16

2.4 Harmonisa……….………... 17

2.5 Kapasitor Bank………... 21

2.6 Sumber-sumber dan Dampak Harmonisa……… 26

2.6.1 Sumber-sumber harmonisa……….… 26

2.6.2 Dampak Harmonisa……….. 26

2.7 Scan Impedansi dengan Metode Norton………..… 29

2.8 Filter Harmonisa……….. 31

2.9 Batasan Harmonisa……….…. 33

2.10 Filter Pasif………... 35

2.11 Filter Second Order Damped……….. 37

2.12 Rancangan Filter……….. 38

2.13 Menentukan Komponen Filter Second Order Damped..……… 38

2.13.1 Kapasitansi (C)……….… 38

2.13.2 Induktansi (L)……….……… 39

2.13.3 Resistansi. (R)……….…… 40

BAB 3 METODE PENELITIAN ……….. 41

3.1 Lokasi Penelitian….……….. 41

3.2 Data Sistem Distribusi………... 42

3.3 Pengukuran Harmonisa ……….… 44

3.4 Simulasi Sebelum Pemasangan Filter ………. 45

3.5 Simulasi Dengan Pemasangan Filter ………...……… 46

BAB 4 HASIL DAN ANALISIS ……….…. 47

4.1 Hasil pengukuran dan simulasi ...………..……. 47

4.1.1 Hasil pengukuran ……..…………...……….. 47

4.2 Analisis Perhitungan Impedansi Sistem ………... 51

4.2.1 Impedansi Saluran ………...……...… 51

4.2.2 Impedansi Transformator …….……….... 52

4.2.3 Impedansi Sistem ………...….………. 52

4.2.4 Impedansi Beban ……….…. 53

4.3 Hasil Simulasi SebelumPemasangan Filter … ……… 54

4.4 Analisis Perhitungan Filter ……….. 57

4.5 Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter ……….. 60

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ………..……… 65

5.1 Kesimpulan ……….. 65

5.2 Saran ………. 67

DAFTAR PUSTAKA ………. ……... 71

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1 Limit tegangan harmonisa standar IEEE 519-1992……... 32

2.2 Limit arus harmonisa standar IEEE 519-1992………. 32

3.1 Data spesifikasi transformator distribusi 400 kVA……….. 43

3.2 Impedansi Kabel …….………. 44

4.1 Hasil Pengukuran Arus ………...… 47

4.2 Impedansi Sistem dan Impedansi Beban……… 54

4.3 Impedansi dan Komponen Filter………. 58

4.4 Perbandingan THD hasil simulasi sebelum dan setelah pemasangan filter ………..…. …… 68

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

1.1 Bentuk gelombang, spektrum beban linier, beban non linier…… 3

2.1 Rangkaian RLC seri……….……….. 10

2.2 Rangkaian ekivalen sistem distribusi resonansi seri……….….. 11

2.3 Impedansi vs frekuensi resonansi seri……….. 12

2.4 Rangkaian RLC paralel..………... 12

2.5 Sistem distribusi berpotensi resonansi paralel.……….. 14

2.6 Impedansi vs frekuensi resonansi paralel.………. 14

2.7 Impedansi vs frekuensi berbagai ukuran kapasitor………... 15

2.8 Kurva Impedansi vs frekuensi RLC kombinasi.………... 16

2.9 Bentuk gelombang terdistorsi oleh harmonisa…………... 18

2.10 Koreksi faktor daya dari kapasitor bank……… 21

2.11 Sistem kapasitor bank dan diagram phasor………... 23

2.12 Dampak harmonisa terhadap peralatan………... 27

2.13 Letak PCC pada sebuah sekunder transformator………... 28

2.14 Letak PCC pada sebuah primer transformator …………... 28

2.15 Diagram satu garis sistem dengan filter………. 29

2.16 Rangkaian ekivalen Norton pada frekuensi harmonisa………….. 30

2.17 Tipe-tipe filter harmonisa pasif………... 36

2.18 Filter second order damped………... 37

3.1 Diagram satu garis distribusi Politeknik Negeri Medan…… …… 41

3.2 Rangkaian simulasi sistem sebelum pemasangan filter .………… 45

4.1 Bentuk gelombang arus dan tegangan hasil pengukuran ……….. 48 4.2 Bentuk spektrum harmonisa arus hasil pengukuran……… 49 4.3 Besaran daya dan faktor daya hasil hasil pengukuran …….….…. 50 4.4 Bentuk gelombang arus setelah pemasangan filter ………. 52 4.5 Bentuk gelombang tegangan sebelum menggunakan filter ………. 52 4.6 Spektrum harmonisa arus sebelum pemasangan filter ……... 56 4.7 Spektrum harmonisa tegangan sebelum pemasangan filter ... 56 4.8 Bentuk gelombang arus setelah pemasangan filter …….………….. 61 4.9 Bentuk gelombang tegangan setelah pemasangan filter …………. 61 4.10 Spektrum harmonisa arus setelah pemasangan filter …….….…... 62 4.11 Spektrum harmonisa tegangan setelah pemasangan filter .…….... 62

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data arus hasil simulasi sebelum pemasangan filter Lampiran 2 Data tegangan hasil simulasi sebelum pemasangan filter . Lampiran 3 Data arus hasil simulasi setelah pemasangan filter

Lampiran 4 Data arus hasil simulasi setelah pemasangan filter Lampiran 5 Data spesifikasi kabel.

Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul akibat pengoperasian beban listrik non linier, yang merupakan sumber terbentuknya gelombang frekuensi tinggi kelipatan dari frekuensi fundamentalnya. Frekuensi tinggi ini dapat meng-ganggu sistem kelistrikan, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan yang idealnya adalah sinusoidal murni menjadi cacat. Dampak dari tegangan dan arus ini dapat menimbulkan panas yang berlebihan, rugi-rugi energi dan menurunnya faktor daya sehingga pada akhirnya penggunaan energi listrik menjadi tidak efisien.

Beban listrik non linier umumnya menggunakan komponen elektronika daya yang pada prosesnya bekerja sebagai saklar, menghasilkan gangguan gelombang yang tidak sinusoidal. Untuk meredam harmonisa yang terjadi, diperlukan filter agar

Distortion Harmonisa Total (THD) arus dan tegangan tidak melebihi standard IEEE

519-1992. Filter yang dirancang dalam penelitian ini adalah filter pasif dengan tipe

second order damped. Untuk melihat besarnya kandungan harmonisa yang

ditim-bulkan oleh beban non linier digunakan alat ukur Power Quality Analyzer.

Penelitian ini dilakukan pada sistem tegangan rendah 380 volt dari transformator distribusi dengan kapasitas 400 kVA di Politeknik Negeri Medan. Perancangan filter dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan program

MATLAB/SIMULINK. Melalui simulasi dapat diketahui THDi dan THDv sebelum

dan setelah menggunakan filter, kemudian akan dibandingkan dengan standar IEEE 519-1992. Dengan menggunakan filter second order, THDi dapat berkurang dari 24,85% menjadi 6,62%, sedangkan THDv bertambah dari 2,99% menjadi 3,47% dan faktor daya dapat ditingkatkan dari 0,73 menjadi 0,978 lagging.

Kata kunci: Harmonisa, faktor daya, filter second order damped, THD.

ABSTRACT

Harmonics is a phenomenon which arises as the effect of operating non linear electrical load it becomes the source of the formation of high frequency waves, multiplied from its fundamental frequency. This high frequency can disrupt the electrical system so that the ideal pure sinusoidal current waveform and tension become defective. The effects of these tension and current can cause excessive heat, energy losses, and the decrease in power factor which eventually the use of electrical energy becomes inefficient.

The non-linear electrical load generally uses electronic power components which, in its process, function as the switch and causes non-sinusoidal wave distortion. In order to muffle the incident of harmonics, a filter is used so that the Total Harmonics Distortion (THD) of current and waves do not exceed the IEEE 519-1992 standard. The filter, designed in this research, was the passive filter with second order damped type. The measuring instrument of Power Quality Analyzer was used to know the harmonics content caused by the non linear load.

This research was conducted with the system of low voltage of 380 volts from the distributive transformer with the capacity of 400 kVA at Politeknik Negeri, Medan. The filter design was modeled and simulated by using MATLAB/SIMULINK program. Through the simulation, the THD and THDv could be known before and after using the filter; it was then compared with the IEEE 519-1992 standard. By using the second order filter, the THDi could decrease from 24.85% to 6.62%, whereas THDv could increase from 2.99% to 3.47%, and the power factor could be increased from 0.73 to 0.978 lagging.

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Kualitas daya listrik sangat dipengaruhi oleh penggunaan jenis-jenis beban tertentu seperti beban non linier dan beban induktif. Akibat yang ditimbulkannya adalah turunnya efisiensi energi listrik dan rendahnya kualitas daya dari sistem. Ini disebabkan tingginya kandungan harmonisa dan rendahnya faktor daya karena meningkatnya arus reaktif. Harmonisa telah terbukti memiliki dampak kerusakan pada peralatan diantaranya transformator, mesin-mesin berputar, switchgear, kapasitor bank dan relay-relay proteksi. Peralatan-peralatan ini mengalami rugi-rugi dan pemanasan yang berlebihan [1,2].

Idealnya energi listrik disalurkan ke beban mempunyai gelombang sinusoidal. Dalam kenyataan terjadi perubahan bentuk gelombang, karena penggunaan beban listrik terutama beban-beban non linier semakin banyak. Beban non linier menyebabkan arus yang mengalir pada beban-beban tersebut menjadi tidak sama dengan bentuk gelombang tegangannya yang sinusoidal. Distorsi gelombang ini disebabkan oleh berbagai peralatan elektronika yang menggunakan komponen semikonduktor bekerja sebagai saklar.

Sistem tenaga listrik dirancang untuk beroperasi pada frekuensi 50 Hz atau 60 Hz. Akan tetapi pada aplikasinya beberapa beban menyebabkan munculnya arus

i

i

ataupun tegangan yang frekuensinya merupakan kelipatan 50 Hz atau 60 Hz. Frekuensi 50 Hz dan 60 Hz ini disebut frekuensi fundamental dan kelipatannya disebut frekuensi harmonisa. Gelombang dengan frekuensi harmonisa ini menumpang pada gelombang aslinya yang sinusoidal, sehingga menghasilkan gelombang yang cacat. Bentuk gelombang yang tidak sinusoidal ini merupakan jumlah antara gelombang sinusoidal sesaat dengan gelombang harmonisanya. Sebagai contoh, jika frekuensi tegangan sumber adalah 50 Hz, maka frekuensi harmonisa ke-3, ke-5, dan ke-7, masing-masing adalah 150 Hz, 250 Hz dan 350 Hz. Penyimpangan bentuk gelombang diukur dalam bentuk distorsi harmonisa total (THD). Persentase Total Harmonics Distortion (THD) adalah jumlah harga efektip seluruh komponen harmonisa dibagi dengan harga komponen dasarnya.

Faktor daya rendah sebenarnya dapat diatasi dengan memasang kapasitor bank yang dipasang paralel dengan sistem untuk mengkompensasi daya induktip akibat pembebanan. Disamping dapat menaikkan tegangan sistem, dapat juga menurunkan arus yang mengalir pada beban dan dapat menambah beban tanpa perlu membangun jaringan baru. Adanya kapasitor menimbulkan permasalahan baru yaitu sumber harmonisa dalam sistem dapat berinteraksi dengan kapasitor bank dan induktansi sistem, sehingga menimbulkan arus yang besar ketika terjadi resonansi.

i

i

pada frekuensi tinggi reaktansinya menjadi kecil. Apabila muncul tegangan dan arus harmonisa yang besar melewati ratingnya kapasitor dapat gagal beroperasi. Hal ini terjadi karena kapasitor yang mulanya berfungsi sebagai penampung arus harmonisa dan perbaikan faktor daya menjadi tidak berfungsi dan menimbulkan panas yang berlebihan.

Dalam Gambar 1.1 [3] menunjukkan tegangan dan arus dalam jaringan dengan adanya harmonisa dan tanpa harmonisa

i

i

Bila tidak ada harmonisa dalam sistem, gelombang masukan berbentuk sinusoidal (A1) akan menghasilkan gelombang yang sinusoidal (A2). Bila gelombang sinusoidal

dan gelombang non sinusoidal (B2) masuk kedalam jaringan, kemudian kedua

gelombang dari jaringan ini masuk kedalam beban non linier, maka akan menimbulkan gelombang berbentuk non sinusoidal (B1 dan B3). Akibat dari gelombang non sinusoidal dapat menimbulkan gangguan tegangan dan arus dalam sistem

Untuk mengatasi permasalahan akibat penggunaan beban non linier dapat digunakan filter yang dinamakan Second Order Damped. Filter ini adalah rangkaian resistor dan induktor diparalel dan diseri dengan kapasitor. Dengan demikian filter dapat berfungsi untuk mengurangi harmonisa dan juga sekaligus untuk perbaikan faktor daya.

Dari uraian diatas peneliti ingin menganalisis dan merancang filter harmonisa dengan judul: Analisis kebutuhan filter pasif untuk mengurangi gangguan harmonisa dan perbaikan faktor daya menggunakan Second Order Damped

(Studi Kasus Pada Transformator 400 kVA Di Politeknik Negeri Medan)

i

i

dialiri arus maksimum yang melaluinya, sedangkan filter shunt hanya dialiri arus harmonik dan arus fundamental yang jauh lebih kecil dari arus dari sumber sistem.

Adanya perbedaan arus yang besar pada filter seri dibandingkan dengan filter shunt, maka penggunaan filter shunt menjadi lebih murah dalam pembiayaannya daripada filter seri untuk efektifitas yang sama. Pada frekuensi dasar filter shunt dapat berfungsi sebagai pemasok daya reaktif untuk meningkatkan perbaikan faktor daya, diatas frekuensi yang diinginkan mempunyai impedansi rendah memberikan jalan ke tanah untuk harmonisa orde tinggi yang dihasilkan oleh beban non-linier [1].

Beberapa penelitian telah dilakukan berkaitan dengan penggunaan filter pasif antara lain:

a. Gonzales pada tahun 1986 di Canonsburg Mc Graw Edison Power System Division Of Cooper Industries, yang berjudul “Design of filter to

reduce harmonics distortion industrial power system” dengan beban linier (Arc Furnace, six pulse rectifier), kapasitor filter belum terpasang pada sistem. Filter yang dirancang adalah Single Tuned untuk harmonisa ke 5 dan harmonisa ke 7 menggunakan high pass filter.

b. Chackphed Madtharad dan Mark Mc Granaghan pada tahun 2008 di Proficial Electricity Authority (PEA) Thailand, yang berjudul ”Harmonic

Filter Design For Induction Furnace Load in 22 kV Distribution System”

i

i

22 kV) kapasitor belum terpasang pada sistem. Filter yang dirancang adalah High Pass Filter untuk Harmonisa ke-5, 11dan 13, metode identifikasi harmonisanya dengan memplot frekuensi respon.

c. Srete Nikolovski, Lajos Jozsa Srete dan Marijan Kalea pada tahun 1999 di Kroasia (Power System of Eastern Croatia), yang berjudul “Harmonic

Analysis Of 110 kV Filter Fasility In power System Of Eastern Croatia

using Easy Power Spectrum Program”. Beban yang digunakan beban non linier dan kapasitor bank 50 MVAR yang terpasang pada busbar 110 kV. Filter yang dirancang adalah Second Order High Pass Filter untuk harmonisa ke 3 dan Notch LC Filter untuk harmonisa ke 5 dan 7 yang dirancang oleh ABB. Metoda identifikasi harmonisa adalah dengan scan impedansi Easy Power Spectrum Program.

1.2 Perumusan Masalah

Berapa besarkah distorsi harmonisa total (Total Harmonic Distortion) dari THD arus (THDi) dan THD tegangan (THDv) yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik karena penggunaan beban-beban non linier. Dengan pemasangan filter pasif second order damped, sejauh mana berkurangnya nilai THDi dan THDv pada sisi tegangan rendah dari transformator distribusi.

1.3 Batasan Masalah

i

i

a. Analisis harmonisa dilakukan pada sistem distribusi dengan beban 3 fasa yang seimbang, sehingga analisis dilakukan 1 fasa.

b. Kapasitas transformator yang terpasang adalah 400 kVA, 20kV/400/230 Volt, 50 Hz dan sistem Dyn5.

1.4 Tujuan Penelitian.

Tujuan dari penelitian ini adalah merancang filter Second Order Damped

untuk mengurangi harmonisa dan peningkatan faktor daya akibat penggunaan beban-beban linier dengan menggunakan software MATLAB/SIMULINK.

1.5 Manfaat Penelitian.

Dapat memberikan kontribusi terhadap perkembangan sistem tenaga listrik khususnya permasalahan harmonisa dalam sistem 3 fasa, mengetahui cara mengurangi harmonisa serta meningkatkan faktor daya sistem.

1.6 Metodologi Penelitian

Tahapan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

a. Melakukan pengumpulan data sistem dan pengukuran. b. Melakukan analisis hasil pengukuran berdasarkan literatur.

c. Membuat simulasi sebelum dan sesudah pemasangan filter dengan menggunakan program MATLAB/SIMULINK

i

i

1.7 Sistematika Pembahasan

Tesis ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:

Bab 1: Pendahuluan yang meliputi latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, metodologi penelitian, sistematika pembahasan dan relevansi.

Bab 2: Teori dasar membahas harmonisa, akibat yang ditimbulkan harmonisa, filter pasif second order damped dan metode Fourier untuk analisis harmonisa.

Bab 3. Membahas metodologi penelitian. Bab 4. Membahas tentang hasil dan analisis.

Bab 5. Kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian dan saran.

1.8 Relevansi

Dengan hasil analisis dan simulasi, akan diketahui keuntungan dan keandalan menggunakan filter second order damped dalam memfilter harmonisa, sehingga dapat mengurangi distorsi arus, tegangan harmonisa yang disebabkan oleh beban-beban non linier pada sistem distribusi tenaga listrik.

i

i

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Resonansi

Resonansi dapat terjadi bila reaktansi induktif X_L dari sistem dan reaktansi kapasitif XC dari kapasitor untuk perbaikan faktor daya sama besar pada satu

frekuensi harmonisa resonansi tertentu [1,2]. Elemen dari rangkaian sistem distribusi umumnya merupakan elemen induktif. Adanya kapasitor untuk perbaikan faktor daya, dapat menyebabkan siklus transfer energi antara elemen induktif dan kapasitif pada frekuensi resonansi. Pada frekuensi resonansi ini besarnya reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif sama besar.

Reaktansi pada saat resonansi terjadi dinyatakan dalam Persamaan (2.1):

……… (2.1)

Dimana:

Frekuensi resonansi dinyatakan dalam Persamaan (2.2):

… ……… (2.2)

Pada saat resonansi harmonisa ke h dinyatakan dalam Persamaan (2.3):

C

X

L

x

r Cr r

Lr





1







LC r 1   L r X Xc f LC f LC f ₀ 0 0 2

1 _{ }



 

i i L r X Xc LC f fr

h   

0 0 1  r h h V

R j X

- j X

L C I + ………..……… (2.3)

2.2. Resonansi Seri

Resonansi seri dapat terjadi bila rangkaian seri RLC seperti Gambar 2.1 mempunyai reaktansi induktip dan reaktansi kapasitip yang sama, sehingga impedansi rangkaian menjadi rendah, arus menjadi sangat besar dan membangkitkan tegangan yang kecil pada kedua elemen L dan C.

Gambar 2.1 Rangkaian RLC Seri Impedansi seri dinyatakan dalam Persamaan (2.4):

…….………. (2.4) Impedansi untuk harmonisa ke h menjadi Persamaan (2.5):

…...……… (2.5) Bila saat resonansi:

; maka Dimana: C L X X

X_r2  _{L C} 

)

(

X

_L

X

_C

j

R

Z







) ( ) ( h X hX j R h Z C L   r r C L r X h X X

i

i R

h

Z( _r)

Persamaan reaktansi saat resonansi adalah:

………..……... (2.6)

Impedansi total dari rangkaian seri menjadi resistip murni yaitu sama dengan R dan dinyatakan dalam Persamaan (2.7):

……… (2.7) Faktor kualitas Qf dari rangkaian seri dinyatakan dalam Persamaan (2.8):

………..………. (2.8)

Arus harmonisa yang diinjeksikan oleh beban non linier, dapat berinteraksi dengan impedansi sistem yang terdiri dari L dan C sehingga menimbulkan resonansi seri. Sistem distribusi tenaga listrik yang berpotensi terjadi resonansi seri ditunjukkan dalam Gambar 2.2, dimana kapasitor bank terhubung seri dengan transformator.

i

_h

T

h i

X_c

i_h

X_T

X_c

b a

Gambar 2.2 a. Sistem distribusi berpotensi resonansi seri b. Rangkaian ekivalen

C L X

X

X_r  _{L C} 

R X Q r

i

i

V R j XL - j XC

I

+

[image:30.612.126.475.186.359.2]

-Hubungan impedansi terhadap frekuensi dapat digambarkan bentuknya seperti Gambar 2.3. Impedansi terendah dapat terjadi pada saat frekuensi resonansi.

. Gambar 2.3 Impedansi vs frekuensi untuk resonansi seri

2.3 Resonansi Paralel

R_{angkaian resonansi RLC paralel juga menghasilkan reaktansi induktip dan} reaktansi kapasitip yang sama, akan tetapi menghasilkan admitansi rangkaian yang rendah, arus mengalir menjadi kecil dan membangkitkan tegangan yang besar pada elemen L dan C. Rangkaian RLC paralel dapat dilihat pada Gambar 2.4

i i C L C L C L X jX h X hX R X jRX h Z     ) ( ) ( C L C L C L X jX X X R X jRX Z     ) (

Impedansi Z dinyatakan dalam Persamaan (2.9):

... (2.9)

Reaktansi untuk harmonisa ke h:

dan Pada saat resonansi ke h:

Di mana:

Maka:

………. (2.10)

Impedansi dari Persamaan 2.9 untuk harmonisa ke h dinyatakan dalam persamaan (2.11):

………….……… (2.11)

Faktor kualitas Qf dalam rangkaian paralel dinyatakan dalam Persamaan (2.12):

……….……….. (2.12) r r C L r X h X X

h  

r f X R Q  C L X X

X_r2  _{L C}  L C r X X h  C L X X

X_r  _{L C} 

) ( )

( _L

L h h X

X 

h X h

X C

i

i

Sistem distribusi tenaga yang berpotensi terjadi resonansi paralel dapat dilihat pada Gambar 2.5. dan frekuensi respons atau impedansi total rangkaian terhadap frekuensi dapat dilihat pada Gambar 2.6.

[image:32.612.183.442.397.565.2]

Gambar 2.5 Sistem distribusi berpotensi resonansi paralel

Gambar 2.6 Impedansi vs frekuensi untuk resonansi paralel

Dari Gambar 2.6 terlihat bahwa impedansi terbesar terdapat pada frekuensi resonansi fr, artinya terjadi peningkatan tegangan pada frekuensi resonansi paralel. Untuk mengidentifikasi kondisi resonansi pada suatu rel daya dimana arus harmonisa

C

X_s X

i

i

diinjeksikan, kurva impedansi fungsi frekuensi dapat digunakan untuk mengetahui pada frekuensi atau order harmonisa berapa terjadi penguatan tegangan dan arus harmonisa [1].

Nilai impedansi pada suatu frekuensi harmonisa menunjukkan munculnya lembah, ini menunjukkan terjadinya resonansi seri seperti Gambar 2.3. Sebaliknya jika nilai impedansi pada suatu frekuensi resonansi membentuk gunung, ini menunjukkan terjadinya resonansi paralel seperti Gambar 2.6. Puncak dari kurva impedansi yang berubah dari berbagai ukuran kapasitas kapasitor bank dapat ditunjukkan pada Gambar 2.7. Semakin bertambahnya kapasitas dari kapasitor, frekuensi resonansi atau orde harmonisa dan puncak impedansi resonansi akan semakin semakin kecil.

[image:33.612.150.489.439.621.2]

i

i

Frekuensi , f

2R

Impedansi (Z )

a b

R C

L R

I

2.3.1 Rangkaian RLC Kombinasi

Rangkaian RLC kombinasi dapat merupakan rangkaian R L paralel kemudian diserikan dengan C seperti terlihat pada Gambar 2.8. Rangkaian ini dapat digunakan sebagai filter pasif second order untuk mengurangi harmonisa dalam sistem distribusi.

Gambar 2.8 a. Rangkaian RLC kombinasi b. Kurva Impedansi vs frekuensi Impedansi rangkaian dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

_ ………. (2.13)

          _C L L L L X X R X R j X R X R

Z _{2 2}

2 2 2 2 L l

C R jX

jX R jX Z    1 L L L L

C R jX

jX R x jX R jX R jX      1 2 2 2 2 2 2 1 L L L L

C R X

X R X R jX R

jX    

i

i

Impedansi harmonisa ke h dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.14):

……...……….. ( 2.14)

2.4 Harmonisa.

Harmonisa adalah komponen-komponen dari suatu bentuk gelombang yang terdistorsi atau cacat yang mana frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasarnya. Cacatnya gelombang ini disebabkan oleh interaksi antara gelombang sinusoidal sistem dengan komponen gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen fundamentalnya. Untuk meningkatkan kualitas sistem, maka distorsi harmonisa harus ditekan seminimal mungkin dengan

menggunakan filter harmonisa. Penggunaan Filter harmonisa akan dapat mereduksi distorsi harmonisa dan juga berfungsi sebagai kompensator reaktip pada frekuensi

fundamental.

Ada 2 jenis beban dalam sistem tenaga listrik yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier memberikan bentuk gelombang keluaran linier, dimana arus yang mengalir sebanding dengan perubahan tegangan. Sedangkan beban non linier memberikan bentuk gelombang keluaran arus yang tidak sebanding dengan tegangan dasar sehingga gelombang arus maupun tegangannya tidak sama dengan gelombang masukannya.

h

X

j

jhX

R

jRhX

Z

C

L L



i

i

Dalam satu perioda gelombang sinus yang terdistorsi oleh harmonisa dapat terdiri dari beberapa komponen harmonisa. Gelombang sinus yang tidak berperiodik tersebut dapat dinyatakan dalam jumlah seri harmonisa frekuensi dasar yang dinyatakan dengan analisis persamaan Fourier.

Gambar 2.9 Bentuk gelombang sinusoidal terdistorsi oleh harmonisa ke 3, 5,7

Suatu bentuk gelombang periodik tidak sinusoidal yang memenuhi kondisi tertentu dapat dinyatakan dalam suatu deret Fourier sinusoidal. Deret Fourier untuk fungsi periodik f(t) dapat dinyatakan dalam persamaan bentuk trigonometri berikut:

f(t) = A0 +





















1

0

0 sin

cos

n

n

n n t B n t

A  

….………. (2.15)

Di mana: A0 =





2 /

2 /

)

(

1

T

T

dt

t

f

i

i

An =



 2 / 2 / 0 ) cos( ) ( 2 T T dt t n t f

T  ... (2.17)

Bn =



 2 / 2 / 0 ) sin( ) ( 2 T T dt t n t f

T  ... (2.18)

Bentuk A0 adalah suatu konstanta yang menyatakan harga rata-rata f(t). Sinus

dan kosinus dengan frekuensi sama dapat dikombinasikan menjadi satu sinusoidal. Hasilnya akan memberi suatu persamaan alternatif deret Fourier berikut:

f(t) = A0 +



n



n

n n t

C  





1 0

cos ... (2.19)

di mana: Cn = An2Bn2 dan θn = 

       n n A B 1

tan ... (2.20)

atau

f(t) = A0 +



n



n

n n t

C  





1 0

sin ………. (2.21)

Di mana: Cn = A_n2B_n2 dan θn =         n n B A 1

tan ………(2.22)

Koefisien C1 adalah amplitudo pada frekuensi dasar ω0. Koefisien-koefisien C2, C3, …, Cn adalah amplitudo-amplitudo harmonisa yang mempunyai frekuensi 2 ω0, 3

ω0,….., n ω0.

i

i

Frms =



 0 2 , n rms n

F =



         1 2 2 0 2 n n C

A ... (2.23)

Bentuk gelombang tegangan dan arus dalam deret Fourier dinyatakan dalam Persamaan (2.24) dan (2.25):

v(t) = V0 +



n



n

n n t

V  





1 0

cos ... (2.24)

i(t) = I0 +



n



n

n n t

I 





1 0

cos  ... (2.25)

Harga efektif tegangan dan arus memiliki bentuk yang sama dengan Persamaan (2.24).

Vrms =



 0 2 , h rms h

V =



         1 2 2 0 2 h h V

V ………..……….. (2.26)

Irms =



 0 2 , h rms h

I =



         1 2 2 0 2 h h I

I ………... (2.27)

Total Harmonic Distortion (THD) menunjukkan total harmonisa dari gelombang tegangan atau arus yang mengandung komponen individual harmonisa dan dinyatakan dalam persen terhadap komponen fundamentalnya [1]. THD untuk gelombang arus dinyatakan dalam Persamaan (2.28):

_100% 1 2 2 x I I THD h h i



 

 …….……… (2.28)

i

i

...(2.29)

Total demand distortion (Total Demand Distortion) merupakan kandungan harmonisa diukur berdasarkan arus beban IL dinyatakan dalam Persamaan (2.30):

... (2.30)

2.5 Kapasitor Bank

Kapasitor Bank digunakan secara luas didalam sistem tenaga listrik untuk perbaikan faktor daya. Kapasitor ini terhubung paralel dengan beban agar daya reaktip dan daya semu yang disuplai oleh sumber berkurang. Mengalirnya arus pada kapasitor menyebabkan naiknya tegangan, sehingga tegangan drop dan rugi-rugi tegangan pada sistim distribusi menjadi juga berkurang. Selain dari fungsi kapasitor untuk mengkompensasi daya reaktip dapat juga menjaga kualitas tegangan dan meningkatkan efisiensi sistem. Dalam Gambar 2.10 dapat dilihat koreksi faktor daya dari kapasitor bank.

Gambar 2.10 Koreksi faktor daya dari kapasitor bank

i

i

) tan

(tan _{1 2}

2

1    

Q Q P

QC

Bila pada sistem distribusi tenaga listrik sudah terpasang kapasitor bank, maka kapasitor dapat dimanfaatkan untuk filter.

Daya reaktip dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.31):

………. (2.31) Di mana:

Qc = Daya reaktip yang disediakan oleh kapasitor

P = Daya aktip yang disediakan sumber dan daya yang diserap beban Q1 = Daya reaktip beban

S1 = Daya semu beban

Q2 = Daya reaktip sistem dengan kapasitor bank yang telah terhubung

S2 = Daya semu sistem dengan kapasitor bank yang telah terhubung.

Pf1 = Faktor daya awal

Pf2 = Faktor daya setelah perbaikan

Semakin berkembangnya pemakaian beban-beban non linier yang menghasilkan harmonisa tegangan dan arus, maka akan semakin memungkinkan terjadinya resonansi harmonisa. Pada saat resonansi, harmonisa tegangan akan diperkuat pada salah satu frekuensi harmonisa tertentu (misalnya untuk frekuensi dasar 50 Hz, pada hamonisa ke-3 dengan frekuensi 150 Hz , harmonisa ke-5 dengan frekuensi 250 Hz).

)] tan(cos

)

[tan(cos 1 ₂

1 1

Pf Pf

P

i

i

Pemasangan kapasitor bank dalam sistem, dapat menimbulkan efek harmonisa antara lain:

1. Arus harmonisa menyebabkan kapasitor bank akan over load, karena reaktansi kapasitif kapasitor bertambah kecil pada frekuensi harmonisa. Selain dari itu tegangan yang meningkat akan memperkuat arus menyebabkan fuse kapasitor putus, sehingga kapasitor gagal beroperasi. 2. Kombinasi kapasitor dan induktansi sistem yang membentuk rangkaian

resonansi paralel, akan memperkuat harmonisa tegangan dan arus.

Penguatan harmonisa tegangan disebabkan fenomena resonansi harmonisa, dapat dijelaskan dengan rangkaian ekivalen Thevenin dan diagram fasor suatu sistem tenaga listrik seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.11.

X_S

V_S IC

C

IC

V_C

j XSIC VS

Rel daya

V R_S

[image:41.612.112.516.455.620.2]

R_SI_C

i

i

Sebelum kapasitor dihubungkan dengan rel daya, tegangan rel daya sama dengan tegangan sumber yang dinyatakan dalam Persamaan (2.32):

V

reldaya



V

s ... (2.32)

Persamaan tegangan pada rel daya setelah kapasitor bank dihubungkan adalah:

s s s s C s C daya rel C CR j C L V V jX Z jX V V 0 2 0 '

1  

     ... (2.33)

Persamaan frekuensi harmonisa ke-

h

_r saat resonansi adalah:

C L h s r r 1 0   

 ... (2.34)

Persamaan order harmonisa pada frekuensi harmonisa adalah:

s C s r r X X C L

h   

0 0

1  

 _{... (2.35)}

Dimana :

h

_r= orde resonansi harmonisa

f_r frekuensi resonansi

f

₀



frekuensi fundamental ( 50 Hz atau 60 Hz)

C

X = reaktansi kapasitor pada frekuensi fundamental

s

i

i

Tegangan pada kapasitor atau rel pada harmonisa ke-h adalah:

s f s s c s s s s s

Ch V jA V

R Z j C L R V j CR j V

V    

0

 ... (2.36)

Di mana:

VCh  Tegangan kapasitor pada harmonisa ke-h pada saat resonansi.

Z

c



Karakteristik impedansi

A

f



faktor penguatan harmonisa

Faktor penguatan

A

_f terhadap order harmonisa saat terjadi resonansi dapat dinyatakan sebagai berikut:

... (2.37)

Persamaan (2.36) dan (2.37) menunjukkan bahwa tegangan harmonisa ke-h

pada kapasitor atau rel diperkuat pada frekuensi harmonisa saat terjadinya resonansi. Besarnya arus harmonisa pada sistem dan besar tegangan pada kapasitor yang timbul dapat melebihi tegangan ratingnya sehingga dapat menimbulkan dampak pemanasan tambahan pada transformator dan menyebabkan kapasitor rusak.

r s s s C s s s s c f h R X R X X R C L R Z

i

i

2.6 Sumber-sumber dan Dampak Harmonisa

2.6.1 Sumber-Sumber Harmonisa

Sumber harmonisa secara garis besar terdiri dari 2 jenis peralatan yaitu peralatan yang memiliki kondisi saturasi dan peralatan elektronika daya. Peralatan yang memiliki kondisi saturasi biasanya memiliki komponen yang bersifat magnetik seperti trafo, mesin-mesin listrik, tanur busur listrik dan magnetic ballast. Peralatan elektronika daya umumnya menggunakan komponen semi konduktor yang bekerja sebagai saklar. Dalam proses kerjanya setiap siklus gelombang dari sumber tegangan menghasilkan gangguan gelombang arus yang tidak sinusoidal. Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan parameter komponen semikonduktor dalam peralatan elektronika. Contoh peralatan yang menggunakan komponen elektronika daya adalah penyearah, inverter, pengendali motor listrik, cycloconverter, VAR kompensator statis dan sebagainya. Pada rumah tangga, beban non linier terdapat pada peralatan seperti lampu hemat energi, televisi, komputer.

2.6.2 Dampak Harmonisa

i

i

tiga ganjil yang disebut triplen harmonisa yaitu harmonisa ke 3, 9, 15 dan seterusnya dengan dampak yang berbeda dalam sistem.

Dampak harmonisa dapat dibedakan atas jangka pendek dan jangka panjang. Dalam Jangka pendek harmonisa dapat menyebabkan antara lain, menurunnya faktor daya, kesalahan dalam pengukuran listrik yang menggunakan prinsip induksi magnetik, getaran dan suara pada mesin-mesin. Dalam jangka panjang dapat menyebabkan umur dari motor listrik, trafo berkurang, melemahnya isolasi dan dielektrik serta dapat menyebabkan biaya tinggi.

Dalam Gambar 2.12 dapat dilihat dampak harmonisa terhadap peralatan.

Dampak Harmonisa - Tegangan dan arus akibat resonansi

- PF menurun - Daya mesin menurun - Arus lebih konduktor netral - Beban lebih ( konduktor ,trafo, motor,

generator, kapasitor ) - Berhenti tiba- tiba alat proteksi - Gagalnya urutan kerja perangkat - Meningkatnya derau dan getaran - Gangguan tegangan dan arus - Gangguan jaringan telepon - Diperlukan ukuran lebih untuk trafo,

kapasitor konduktor dll.

Jangka pendek Jangka panjang

Konduktor _{Transformator} Mesin- mesin

berputar Kapasitor

Perangkat peralatan

Lain - lain

- Panas berlebihan - Arus lebih kawat netral - Efek kulit

Panas berlebihan Rugi- rugi bertambah

- Panas berlebihan - Resonansi

-Berhenti tiba- tiba - Pengukuran tidak benar - Operasi tidak benar

- Menurunnya waktu operasi motor dan trafo

- Melemahnya isolasi dan dielektrik

- Biaya ekonomi bertambah

- Tegangan lebih - Derau dan getar - PF menurun - melemah umur

- Interferences

- Torka pengereman - Torka getaran

i

i

Sistem utilitas

Konsumen Lain

Konsumen Yang Diteliti PCC

Sistem utilitas

Konsumen Lain Konsumen Yang Diteliti

PCC

Ada 2 kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi gangguan harmonisa berdasarkan standar IEEE 519 – 1992. Pertama adalah batas harmonisa untuk arus

(ITHD) dan kedua adalah batasan untuk tegangan (VTHD). Batas untuk harmonisa arus

ditentukan oleh perbandingan dari

L SC

I I

. ISC adalah arus hubung singkat yang ada

pada PCC (Point of Common Coupling), sedangkan batas untuk harmonisa tegangan ditentukan dari besarnya tegangan sistem yang digunakan. PCC dapat diletakkan pada sisi primer atau sisi sekunder dari trafo pelanggan tergantung pada banyaknya jumlah pelanggan yang disuplai trafo. Letak PCC dapat dilihat pada Gambar 2.13 dan 2.14

Gambar 2.13 Letak PCC pada sekunder transformator

i

i

2.7 Scan Impedansi dengan Metode Norton

Scan impedansi digunakan untuk menentukan besarnya impedansi dilihat dari suatu rel daya. Salah satu metoda yang digunakan yaitu dengan metode Norton. Metoda ini digunakan untuk menghitung impedansi total sistem dilihat dari sumber arus harmonisa. Diagram satu garis dari sistem distribusi dengan filter second order

damped dapat dilihat pada Gambar 2.15.

Gambar 2.15 Diagram satu garis sistem distribusi dengan filter

second order damped

i

[image:48.612.172.471.117.275.2]

i

Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen Norton pada frekuensi harmonisa

Beban nonlinear dimodelkan sebagai sumber arus harmonisa sedangkan transformator dan filter harmonisa dimodelkan sebagai impedansi. Sedangkan

bebanlain yang terdiri dari beban linear atau motor induksi pada frekuensi harmonisa mempunyai impedansi yang sangat besar bila dibandingkan dengan impedansi sistem oleh karena itu dapat diabaikan [7]

Dari Gambar 2.16 didapat persamaan untuk memperoleh besarnya arus harmonisa, tegangan harmonisa (Is(h), If(h), Vs(h)) pada rel daya dari sistem sebagai

berikut:

….………. (2.38)

i

i

… …...……….………….. (2.40) Di mana:

= Arus harmonisa ke-h dari beban non linear. = Arus harmonisa ke-h yang menuju sumber.

= Arus harmonisa ke-h yang menuju ke filter harmonisa. = Tegangan harmonisa ke-h pada bus.

= Impedansi ekivalen harmonisa ke-h dari sumber.

= Impedansi ekivalen harmonisa ke-h dari filter harmonisa.

Persamaan (2.38) dan (2.40) menunjukkan bahwa tegangan dan arus harmonisa menuju sumber dapat dikurangi dengan filter harmonisa yang sesuai dengan impedansi pada frekuensi harmonisa

2.8 Filter Harmonisa

i

i

Tabel 2.1 Limit tegangan Harmonisa Standar IEEE 519-1992 Tegangan Distorsi Tegangan Distorsi Tegangan

Pada PCC Individu (%) Total (%)

< 69 kV 3.0 5.0

69.001 kV - 161 kV 1.5 2.5

[image:50.612.106.523.142.277.2]

> 161.001 kV 1.0 1.5

Tabel 2.2 Limit Arus Harmonisa Standar IEEE 519-1992 L

SC I

I / h11 11h17 17h23 23h35 35h THD

_{V ≤ 69 KV}

<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

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

_{69 KV < V ≤161 KV}

<20 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5

20-50 3.5 1.75 1.25 0.5 0.25 4.0

50-100 5.0 2.25 2.0 0.75 0.35 6.0

100-1000 6.0 2.75 2.5 1.0 0.5 7.5

i

i

Tujuan dari filter harmonisa adalah:

1. Untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah tegangan dan arus serta untuk menginjeksi arus harmonisa dalam jaringan sampai ke level yang dapat diterima.

2. Untuk menyediakan semua atau sebagian daya yang dikonsumsi oleh sumber harmonisa oleh beban-beban lainnya.

3. Untuk perbaikan faktor daya.

2.9 Batasan Harmonisa

Batasan harmonisa tegangan dan arus sesuai Standar IEEE 519-1992 [8, 9] yang ditunjukkan Tabel 2.1 dan Tabel 2.2, tergantung pada beberapa variabel sebagai berikut:

a. PCC : Point of Common Coupling. Suatu titik dalam sistem di mana pelanggan dihubungkan.

b. I_SC : Arus hubung singkat pada PCC c. I_L : Arus beban maksimum

d. TDD : Total demand distortion. TDD adalah kandungan ratio harga rms harmonisa arus terhadap arus beban maksimum.

i

i

Langkah-langkah evaluasi THD atau TDD berdasarkan Standar IEEE 519-1992 adalah sebagai berikut:

a. Tentukan PCC seperti Gambar 2.13, di mana PCC terletak disisi sekunder transformator.

b. Ukur harmonisa tegangan dan arus yang dihasilkan beban non linear pada PCC sebelum dipasang filter. Model dari sistem direpresentasikan oleh beban nonlinear sebagai sumber arus harmonisa yang menginjeksikan arus harmonisa ke sistem, seperti ditunjukkan Gambar 2.15.

c. Bandingkan THD arus dengan standar IEEE 519-1992 [14] Tabel 2.2. d. Hitung Short Circuit Ratio (ISC /IL).

Dengan mengabaikan impedansi sumber [11], persamaan arus hubung singkat dinyatakan dalam Persamaan:

S L SC

Z I I

%

 ………...……….. (2.41)

Di mana: % Zs = impedansi sistem per unit

Arus beban dinyatakan dalam Persamaan:

3Vcos

P

I_L  …………..………...… (2.42)

Di mana: IL = Arus beban ; P = daya beban;

i

i

L SC

I I

SCR

Short Circuit ratio dinyatakan dalam persamaan:

……… (2.43)

Short Circuit Ratio digunakan untuk menentukan batas harmonisa arus sesuai

standar IEEE 519-1992 [14] seperti Tabel 2.2.

e. Jika THD tegangan dan THD arus melebihi standar IEEE 519-1992, maka untuk mengurangi harmonisa rencanakan pemasangan filter.

f. Bandingkan THD tegangan dan THD arus setelah filter dipasang, kemudian bandingkan dengan standar IEEE 519-1992.

2.10 Filter Pasif .

Dalam sistem tenaga listrik, gangguan harmonisa dapat dikurangi dengan memasang filter harmonisa yang dinamakan filter pasif. Filter pasif merupakan gabungan elemen pasif yaitu resistor (R), Induktor (L) dan kapasitor (C). Filter ini diharapkan mampu mereduksi amplitudo frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus harmonisa sekaligus dapat mengkompensasi daya reaktip dan memperbaiki faktor daya sistem.

i

i

L C

R

R

R L

L C C

C C C

Filter Single-tuned

Filter Second order

damped

Filter Third order

damped

Filter C damped

faktor daya juga mempunyai keuntungan dari sisi ekonomi karena adanya perbaikan faktor daya, maka kapasitas saluran bertambah, sehingga memungkinkan adanya penambahan peralatan-peralatan yang dapat dioperasikan.

Filter pasif memiliki beberapa tipe yaitu, single tuned, double-tuned filter,

second order, third order dan C damped filter [7].

Dalam Gambar 2.17 terlihat filter single tuned dan ketiga filter damped.

Gambar 2.17 . Tipe-tipe filter harmonisa pasif.

Filter harmonisa dapat mengalihkan arus harmonisa yang tidak diinginkan dan dapat mensuplai daya reaktif pada frekuensi dasar. Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total rating tegangan dan kVAR yang diinginkan. Dari tipe-tipe filter pasif yang ada peneliti memilih salah satunya yaitu filter tipe

i

i

Lh

I

I

_Rh

R C

L

2.11 Filter Second Order Damped

Filter second order damped terdiri dari resistor dan induktor paralel yang diseri dengan kapasitor seperti pada Gambar 2.18. [1,7]. Pada frekuensi resonansi, filter mempunyai impedansi sangat yang kecil lebih kecil dari impedansi beban sehingga arus yang mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi resonansi akan dibelokkan melalui filter. Dengan demikian second order damped diharapkan dapat mengurangi THD tegangan dan arus.

Gambar 2.18 Second order damped

Impedansi rangkaian dari Gambar 2.18 untuk harmonisa ke h dinyatakan dalam persamaan:

 …...…..(2.44)

          h X hX R hX R j hX R hX R h Z C L L L L

f 2 2

i

i

2.12 Rancangan Filter

Dalam merancang filter dapat dilakukan beberapa langkah [11,12], yaitu: a. Tentukan frekuensi resonansi f_r atau order harmonisa ke- h_r di mana

terjadi resonansi pada sistem.

b. Pilih rating kapasitor berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya.

c. Hitung reaktansi induktip X_Lberdasarkan order tuning h_n.

d. Hitung tahanan dengan menggunakan faktor kualitas (0,5 < Qf <5)

e. Batasan beban lebih (over load limit) dari filter apakah sesuai dengan yang diperkenankan Standar IEEE 18 TM-2002, rating kapasitor yang diperkenankan adalah:

a) MVAR = 135% dari name plate MVAR b) RMS Voltage = 110% dari rated rms voltage

c) Peak voltage = 120% dari peak voltage

d) RMS Current = 180% dari rated RMS Current

2.13 Menentukan Komponen-komponen Second Order Damped

Komponen-komponen yang dibutuhkan dalam merancang filter didapatkan dengan menghitung masing-masing komponen R, L dan C dari filter tersebut.

2.13.1 Kapasitansi (C)

i

i

menghitung daya reaktif (QC) yang akan disediakan filter. Daya reaktif QC ini

didapat dengan memperhitungkan besarnya daya reaktif (Q1) sebelum adanya

perbaikan faktor daya dan besarnya daya reaktif (Q2) yang dibutuhkan untuk

meningkatkan faktor daya.

Besarnya daya reaktif QC dinyatakan dalam persamaan berikut:

... (2.45) Reaktansi kapasitif filter dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.46):

………...………. (2.46) Kapasitansi dari kapasitor adalah:

... (2.47) Di mana:

X_C = Reaktansi kapasitor bank (Ω)

V

= Tegangan line neutral pada rel daya dimana kapasitor dipasang (kV)

Q

_C = Kapasitas kapasitor perfasa ( kVAR)

2.13.2 Induktansi (L)

Reaktansi induktif dari filter dapat ditentukan dari besarnya nilai kapasitor untuk frekuensi yang ditala.

……….………. (2.48)

2 n C L h X X  C C X X f C 0 0 1 2 1     2 1 Q Q

Q_C  

i

i 0

2 f

X

L L





Cn

X

Ln

X

n

X

Induktansi tergantung pada harmonisa ke berapa, frekuensi yang akan ditala dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.49):

... (2.49)

2.13.3 Resistansi (R)

Resistansi dapat dicari dengan menggunakan Persamaan [1].

……….. (2.50)

... (2.51)

Dimana:

Qf = Faktor kualitas

= Karakteristik reaktansi dari filter (Ω)

= Reaktansi induktif dari reaktor saat frekuensi penalaan (Ω)

= Reaktansi kapasitif saat frekuensi penalaan (Ω)

Faktor kualitas dari sebuah filter menunjukkan ukuran ketajaman penyetelan filter tersebut dalam mengeliminasi harmonisa. Faktor kualitas pada filter second

order damped mempunyai Qf yang rendah yaitu 0,5 < Qf < 5, dan biasanya ditala

pada h_n h_r [1]. Filter yang efektif harus memiliki induktor dengan faktor kualitas yang tinggi, untuk itu, R >Xn pada frekuensi resonansi.

n f X

Q R

C L Cn

Ln

n

X

X

X

X

i

i

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1 Lokasi Penelitian

Penelitian ini dilakukan pada sistem distribusi tenaga listrik pada Politeknik Negeri Medan. Metode Penelitian yang digunakan adalah melakukan pengumpulan data dan pengukuran dilapangan, membuat simulasi sesudah dipasangnya filter serta menganalisis hasil dari perolehan data dan hasil simulasi. Diagram satu garis sistem distribusi Politeknik Negeri Medan dapat dilihat pada Gambar 3.1.

PLN 20 KV

Trafo 400 kVA

Z=4%

PCC 380 V BUS 1

Workshop & Lab. T. Sipil Workshop &

Lab. T. Mesin Workshop &

Lab. T. Elektro Workshop &

Lab. T. Listrik

`

Gdg. ADM &Lab CNC Gdg Kuliah

(A,B,C)

Titik Pengukuran

NFB NFB

i

i

Sumber tegangan disuplai dari jaringan tegangan menengah (TM) 20 kV melalui transformator daya 400 kVA, 20 kV/380 V. Transformator tersebut disambung ke beban antara lain: Gedung kuliah (A, B, C), gedung administrasi lama dan laboratorium CNC, gedung workshop dan laboratorium Teknik Listrik, gedung

workshop dan laboratorium Teknik Elektronika, gedung workshop dan laboratorium

Teknik Mesin dan gedung workshop dan laboratorium Teknik Sipil. Beban yang terdapat di masing-masing gedung tersebut meliputi komputer PC dengan UPS di setiap program studi, peralatan laboratorium, mesin-mesin yang diatur kecepatannya serta menggunakan lampu penerangan dengan electronic ballast.

Sebagian besar peralatan yang ada di Politeknik merupakan beban non linier yang menimbulkan harmonisa arus dan tegangan, sehingga apabila dibiarkan dalam jangka panjang dapat mengakibatkan kerugian. Salah satu cara untuk mengurangi kerugian yang diakibatkan beban non linier tersebut adalah dengan cara merancang filter pasif untuk harmonisa dan sekaligus berfungsi sebagai kompensator daya reaktif.

3.2 Data Sistem Distribusi

i

i

Tabel 3.1 Data Spesifikasi Transformator Distribusi 400 kVA

A. _{Karakteristik Umum}

Disain standar Tipe transformator Kondisi pemasangan Tipe oli Jumlah fasa Frekuens

: IEC 76

: Hermatically Sealed Totally Oil Filled : Indoor

: Mineral Oil Class 1 acc. To IEC 296 : 3fasa

: 50 Hz

B. Spesifikasi Teknik

Kapasitas Tegangan Primer Tegangan Sekunder Veroup Pendingin Kenaikan Temperatur - oli - Belitan

Rugi-rugi tanpa beban pada V nom. Rugi-rugi berbeban pada tap. pabrik Impedansi Trafo

Arus off load pada V nominal Kelas Isolasi

Kebisingan

:400 kVA : 20 kV : 0,4 kV : Dyn5 : ONAN

: 60ºC : 65ºC : 1050 Watt : 57050 Watt : 4%

: 1,9% : A : 56 dB

C. Kelas Isolasi Belitan Primer

SekunderSistem tegangan tinggi (kV) Uji tegangan impuls (kV)

Uji tegangan Uji Uji kerja (KV)