BAB II
DASAR TEORI
2.1 TransformatorDistribusi
Transformator merupakan suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain (belitan primer ke belitan sekunder) melalui sebuah gandengan magnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaannya dalam sistem tenaga memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya, kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh [1].
Dalam bidang tenaga listrik pada umumnya pemakain transformator dapat dikelompokkan dalam :
1. Transformator Daya, transformator ini biasanya digunakan di pembangkit tenaga listrik, untuk menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan transmisi.
3. Transformator Instrument, transformator ini gunanya digunakan sebagai alat instrument pengukuran yang terdiri dari transformator arus (current transformer) dan transformator tegangan (potential transformer).
Suatu sistem tenaga listrik terdiri dari tiga bagian utama yaitu pusat pembangkit listrik, saluran transmisi dan sistem distribusi. Suatu sistem distribusi yang menghubungkan semua beban terjadi pada stasiun pembantu atau substation, dimana dilaksanakan transformasi tegangan.
Pada umumnya pusat pembangkit tenaga listrik berada jauh dari pengguna tenaga listrik. Untuk mentransmisikan tenaga listrik dari pembangkit ini, maka diperlukan penggunaan tegangan tinggi 150 kV atau tegangan ekstra tinggi 500
kV. Setelah saluran transmisi mendekati pusat pemakaian tenaga listrik, yang dapat merupakan suatu daerah industri atau suatu kota, tegangan melalui gardu induk diturunkan menjadi tegangan menengah 20 kV.
Pembangkit Listrik
Transformator Penaik
Transformator Penurun
TM
GI
GI TT/TET
Ke Pemakai TM Ke GD
GD TM
TR
kWH meter
Instalasi Pemakai TR
Pembangkit
Saluran Transmisi
Saluran Distribusi Primer
Saluran Distribusi Sekunder
Utilisasi
Gambar 2.1 Sistem Tenaga Listrik
2.1.1 Spesifikasi Umum Rugi-rugi Transformator Distribusi
Tabel 2.1 Nilai Rugi-Rugi Transformator Distribusi
2.1.2 Klasifikasi Beban Transformator Distribusi
Tabel 2.2 Klasifikasi Beban Pelanggan Listrik PLN
Beban Yang Dilayani No Golongan Tarif Batas Daya
TARIF I
R = Pelanggan Listrik Perumahan
B = Pelanggan Listrik Bisnis
P = Pelanggan Listrik Perkantoran
TR = Tegangan Rendah
TM = Tegangan Menengah
TT = Tegangan Tinggi
LPJU = Lampu Penerangan Jalan Umum
2.1.3 Rugi-Rugi Transformator [1]
Secara umum rugi-rugi ynag terjadi pada transformator dapat digambarkan dalam sebuah blok diagram, seperti ditunjukkan Gambar 2.2 dibawah ini.
Rugi tembaga Rugi tembaga
Keluar an
Rugi fluks bocor Rugi besi: Histeresis dan Arus eddy
Gambar 2.2 Block Diagram Rugi-Rugi pada Transformator
Kumparan ssekunder Fluks
bersama Kumparan
2.1.3.1 Rugi Tembaga (𝑷𝒄𝒖)
Rugi tembaga adalah rugi yang disebabkan arus beban mengalir pada kawat penghantar dapat ditulis sebagai berikut:
𝑷𝒄𝒖 = 𝑰𝟐R (watt) ... (2.1)
Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah – ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban.
2.1.3.2 Rugi Besi (𝑷𝒊)
Rugi besi terdiri atas:
a. Rugi Histeresis (𝑃ℎ), yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak – balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai berikut:
𝑷𝒉 = 𝑲𝒉𝒇𝑩𝒎𝒂𝒌𝒔 (watt) ... (2.2)
𝐾ℎ = konstanta
𝐵𝑚𝑎𝑘𝑠 = fluks maksimum (weber)
b. Rugi Arus Eddy (𝑃𝑒), yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi yang dinyatakan sebagai berikut:
𝑷𝒆 = 𝑲𝒆𝟐𝒇𝟐𝑩𝒎𝒂𝒌𝒔 (watt) ... (2.3)
𝐾𝑒 = konstanta
𝐵𝑚𝑎𝑘𝑠 = fluks maksimum (weber)
Jadi rugi besi (rugi inti) adalah:
𝑷𝒊 = 𝑷𝒉 + 𝑷𝒆 (watt) ... (2.4)
Peningkatan rugi inti yang disebabkan oleh harmonisa bergantung pada pengaruh harmonisa pada tengangan yang diberikan dan rancangan dari inti trafo. Semakin besar distorsi tengangan maka semakin tinggi pula
eddy current dilaminasi inti.
2.2 Faktor-K
Sebuah transformator standart (K-1) tidak dirancang pada penggunaan beban non-linear yang mengandung arus harmonisa. Apabila transformator standar dipaksa untuk digunakan pada beban non-linear, maka akan terjadi panas berlebih dan gagal sebelum waktunya. Dengan alasan tersebut maka untuk mengatasi beban non-linear telah dirancang transformator khusus untuk menangani arus harmonisa yang terjadi.
Nilai dari faktor-k ini sangat dipengaruhi oleh frekuensi yang mengakibatkan bertambahnya rugi estimasi pada transformator. Faktor-k ini didefinisikan sebagai penjumlahan dari kuadrat arus harmonisa dalam p.u dikali dengan kuadrat dari urutan harmonisa. Dibentuk dengan persamaan berikut [4]:
K = ∑∞ℎ=1(𝐼ℎ2∗ ℎ2) ... (2.5)
Persamaan 2.20 dapat juga dinyatakan sebagai berikut:
K = ∑∞ℎ=1ℎ2𝐼ℎ2
∑∞ℎ=1𝐼ℎ2 ... (2.6)
Dimana :
𝐼ℎ = Harga arus harmonisa ke-h
h = Orde harmonisa (2,3,4,5,...)
Transformator khusus dirancang untuk digunakan dengan beban non-linear ditandai "cocok untuk beban arus non-sinusoidal dengan K-faktor yang tidak melebihi" dimana standar rating K-factor adalah 4,9,13,20,30,40,50. Ketika k-faktor melebihi 4, menjadi perlu untuk menggunakan K-rated transformer atau derate a standard transformer. Faktor derating untuk standar
non-harmonic transformator dapat dihitung dengan menggunakan metode dari IEEE C57.100-1986,
D = 1.15
1+0.15K ... (2.7) yaitu [5]:
Pemilihan K-factor rating dapat juga dilakukan berdasarkan tipe beban yang disuplai oleh transformator. Tabel 2.3 menunjukkan gambaran singkat tentang K-factor rating berdasarkan tipe dari beban [6]
Tabel 2.3K- Factors for various types of Loads
.
Load K-Factor
Electric discharge lighting K-4
UPS with optional input filtering K-4
Welders K-4
Induction heating equipment K-4
PLCs and solid state controls (other than variable speed drives) K-4
Telecommunications equipments (e.g PBX) K-13
UPS without input filtering K-13
Multiwire receptacle circuits in general care areas of health care facilities and
classrooms of schools, etc
K-13
Multiwire receptacle circuits supplying inspection or testing equipment on an
assembly or production line
K-13
Mainframe computer loads K-20
Solid state motor drives (variable speed drives) K-20
Multiwire receptacle circuits in critical care areas and operating/recovery
rooms or hospital
2.3 Harmonisa
Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul dari pengoperasian beban listrik yang sebagian besar diakibatkan dari beban non linear, dimana akan terbentuk gelombang yang berfrekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi fundamentalnya, dalam hal ini 50Hz, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan yang idealnya adalah sinusiodal murni akan cacat akibat distorsi harmonisa yang terjadi.
Harmonisa didefenisikan sebagai gelombang-gelombang sinus (arus dan tegangan) yang mempunyai frekuensi kelipatan integer (bilangan bulat) dari frekuensi fundamentalnya.(di Indonesia adalah 50 Hz) [7].
V1
Gambar 2.3 Gelombang Fundamental, Harmonisa kedua dan Harmonisa ketiga
Fundamental
Gambar 2.4 Gelombang Fundamental yang terdistorsi Harmonisa Ke-3
2.3.1 Karakteristik Beban [2]
Alat-alat pemakaian tenaga listrik secara umum dapat dibagi dalam empat kelompok besar : penerangan, tenaga, pemanasan/pendingin dan elektronik.
Data kelompok penerangan termasuk lampu-lampu pijar dan flouresen, neon, uap merkuri, uap sodium dan lampu metal halide. Beban Tenaga umumnya terdiri atas berbagai jenis motor listrik dan untuk beban pemanasan banyak terdapat pada industri sedangkan radio, televisi, sinar-x, peralatan laser, komputer, peralatan digital, penyearah, osilator dan alat-alat lampu yang dioperasikan dengan elektronik.
Secara umum dalam sistem ketenagalistrikan, pemakaian tenaga listrik pada empat kelompok besar diatas tidak megkonsumsi tenaga listrik pada pada waktu yang bersamaan. Pemakaian beban untuk keperluan penerangan adalah yang paling sederhana, karena pada umumnya tenaga listrik hanya digunakan mulai pukul 18.00 sampai dengan pukul 06.00.
Pemakaian beban untuk keperluan tenaga (industri kecil dan besar), umumnya bekerja 24 jam untuk industri besar dan industri kecil hanya bekerja pada siang hari saja. Sehingga untuk perubahan beban pada industri besar terjadi pada saat pagi saja, dan nilainya sangat kecil, selebihnya hampir kontiniu, sedangkan untuk industri kecil perubahan beban sangat mencolok antara siang dan malam.
2.3.2 Jenis – Jenis Harmonisa [8]
Harmonisa pertama disebut juga frekuensi dasar (fundamental). Jika frekuensi gelombang harmonisanya sama dengan dua kali frekuensi dasarnya maka disebut harmonisa kedua, jika frekuensi gelombang harmonisanya sama dengan tiga kali frekuensi fundamental maka disebut harmonisa ketiga dan seterusnya. Apabila frekuensi fundamental adalah 50 Hz maka harmonisa keduanya mempunyai frekuensi 100 Hz, harmonisa ketiganya mempunyai frekuensi 150 Hz, dan seterusnya. Perbandingan frekuensi harmonik dengan frekuensi dasar ini disebut dengan orde harmonik.
Berdasarkan dari urutan/ordenya, harmonisa dapat dibedakan menjadi harmonisa ganjil dan harmonisa Genap. Sesuai dengan namanya harmonisa ganjil adalah harmonisa ke 1, 3, 5, 7, 9, dan seterusnya. Sedangkan harmonisa Genap merupakan harmonisa ke 2, 4, 6, 8 dan seterusnya. Namun harmonisa pertama tidak dapat dikatakan sebagai hamonisa ganjil, karena merupakan komponen frekuensi fundamental dari gelomabang periodik. Sedangkan harmonisa 0 (nol) mewakili konstanta atau komponen DC dari gelombang.
1. Harmonisa urutan Positif
Harmonisa urutan positif ini mempunyai urutan phasa yang sama seperti fasor aslinya yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, dan saling berbeda phasa 1200
I a1 I c1
I b1
Positive phase sequence
(R,S,T atau a,b,c). Gambar 2.5 menunjukkan fundamental fasor merupakan harmonisa urutan positif. Dimana harmonisa positif ini terdiri dari harmonisa ke-1, ke-4, ke-7, ke-10, dan seterusnya.
Gambar 2.5 Fundamental Fasor
2. Harmonisa urutan Negatif
I a5 I b5
I c5
Negative phase sequence
Gambar 2.6 Fasor Harmonik Urutan Negatif
3. Harmonisa urutan Kosong/Nol (zero sequence)
Harmonisa urutan Nol ini memiliki fasor yang sama besarnya dan sephasa satu sama lain (beda phasa satu sama lain 00
Zero phase sequence
I a3, I b3, I c3
), harmonisa ini juga biasa disebut triplen harmonics. Harmonisa urutan nol terdiri dari harmonisa ke-3, ke-6, ke-9, dan seterusnya seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.7 sebagai berikut:
Gambar 2.7 Fasor Harmonik Urutan Nol
Tabel 2.4 Urutan Polaritas Harmonisa pada sistem tiga phasa
Harmonisa Ke- 1 2 3 4 5 6 7 8…
Frekuensi (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400…
Urutan + - 0 + - 0 + - …
2.3.3 Sumber Harmonisa
Harmonisa bisa muncul dari beban-beban yang terhubung ke sistem distribusi. Beban-beban pada sistem tenaga listrik dapat dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu beban linier dan beban non-linier yang akan dijelaskan sebagai berikut [7]:
1. Beban Linear.
Beban linear adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluran yang linear, artinya arus yang mengalir sebanding dengan impendansi dan perubahan tegangan. Pada beban yang linear, bentuk gelombang arus akan mengikuti bentuk gelombang tegangannya. Kalau bentuk gelombang tegangan sumbernya sinusiodal, maka gelombang arus yang mengalir juga akan sinusoidal
2. Beban Non Linear.
maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukkannya (mengalami Distorsi).
Dari dua macam beban diatas, yang paling mampu menjadi sumber Harmonisa adalah beban non linear. Hal ini disebabkan karena adanya komponen semikonduktor yang mana dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan. Selain itu harmonisa dapat juga ditimbulkan oleh peralatan penyearah khususnya peralatan yang menggunakan penyearah dioda dan thyristor. Dalam pemakaian konverter sebagai sumber daya listrik dapat membawa suatu kerugian pada jaringan listrik yang merusak bentuk gelombang tegangan dan arus bolak-balik sehingga tidak merupakan gelombang sinus murni. Peralatan-Peralatan yang dapat menjadi sumber harmonisa :
Peralatan industri seperti: Mesin Las, UPS (Uninterruptible Power Suplies), Kontrol Kecepatan Kotor dan sebagainya.
Perlengkapan kantor seperti: Komputer, Mesin Fotocopy, Mesin Fax, Air Conditioning Load, Elevator, Drive dan sebagainya.
Perlengkapan rumah tangga seperti: Televisi, Microwave, Lampu dan sebagainya.
2.3.4 Indeks Harmonisa
2.3.4.1 Total Harmonic Distortion (THD)
Total Harmonic Distortion (THD) didefenisikan sebagai persentase total komponen harmonik terhadap komponen fundamentalnya. Indeks ini digunakan untuk mengukur deviasi bentuk gelombang periodik yang mengandung harmonik dari gelombang sinus sempurna. Pada saat terjadi gelombang sinus sempurna maka nilai THD adalah nol. Berikut ini adalah rumus THD untuk tegangan dan arus [4].
THD untuk gelombang tegangan adalah :
𝑇𝐻𝐷𝑉 =
�∑∞ℎ=2𝑉ℎ2
𝑉1 ... (2.8)
Dimana :
𝑉1 = Harga rms tegangan fundamental
𝑉ℎ = Harga rms tegangan harmonisa ke-h
h = 2,3,4,5,...
THD untuk gelombang arus adalah :
𝑇𝐻𝐷𝐼 =
�∑∞ℎ=2𝐼ℎ2
𝐼1 ... (2.9)
Dimana :
𝐼ℎ = Harga arus harmonisa ke-h
h = 2,3,4,5,...
2.3.4.2 Individual Harmonic Distortion (IHD) [8]
Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah perbandingan antara nilai
Root Mean Square (RMS) dari harmonic individual dengan nilai RMS
fundamental. IHD ini berlaku untuk tegangan dan arus.
𝐼𝐻𝐷𝑛 = IIh
1 ... (2.10)
Dimana :
In
I
= Harga harmonisa ke-h
1
h = 2,3,4,5,...
= Harga rms arus fundamental
Menurut standar Institute of Electronics Engineers (IEEE), IHD1
2.3.5 Standar Harmonisa [9]
akan selalu bernilai 100%.
Standar harmonisa yang digunakan adalah standar IEEE 519 “ IEEE
Recommended Practices and Requiretment for harmonic Control in electric in
Electrical Power System “, ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa yaitu: batasan untuk harmonisa arus (%THDI) dan batasan
%THDI adalah persentase jumlah total arus yang terdistorsi oleh
harmonisa terhadap frekuensi fundamentalnya. Untuk menentukan %THDI
%THD
tergantung dari besarnya rasio dari Isc/IL. Isc adalah arus hubng singkat yang ada pada PCC (Point of Comman Coupling ) sedangkan IL adalah arus beban nominal.
V adalah persentase jumlah total tegangan yang terdistorsi oleh
harmonisa terhadap frekuensi fundamentalnya. %THDV
Pada tabel 2.5 ditunjukkan batasan harmonisa arus berdasarkan IEEE 519, sedangkan tabel 2.6 menunjukkan batasan harmonisa tegangan.
ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai.
Tabel 2.5 Standar Distorsi Arus Untuk Sistem Distribusi
Maximum harmonic current distortion in % IL
Individual harmonic order (ODD harmonics)
Isc/IL < 11 11 ≤ h <17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 H ≥ 35 TDD
< 20 4 2 1.5 0.6 0.3 5
20 – 50 7 3.5 2.5 1 0.5 8
50 – 100 10 4.5 4 1.5 0.7 12
100 – 1000 12 5.5 5 2 1 15
Tabel 2.6 Standar Distorsi Tegangan
Maximum distortion (in %)
System voltage
Below 69 kv 69 – 138 kv > 138 kv
Individual harmonic 3.0 1.5 1.0
