Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Dengan Zero Sequence Blocking Transformer Dan Transformator Zig-Zag Yang Menggunakan Tiga Buah Transformator Satu Fasa

PENGURANGAN ARUS HARMONISA URUTAN NOL DENGAN

ZERO SEQUENCE BLOCKING TRANSFORMER DAN

TRANSFORMATOR ZIG-ZAG YANG MENGGUNAKAN

TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASA

TESIS

Oleh

ZULKARNAEN PANE 097034019/MTE

FAKULTAS TEKNIK

PENGURANGAN ARUS HARMONISA URUTAN NOL DENGAN

ZERO SEQUENCE BLOCKING TRANSFORMER DAN

TRANSFORMATOR ZIG-ZAG YANG MENGGUNAKAN

TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASA

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Magister Teknik Elektro,

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

ZULKARNAEN PANE 097034019/MTE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Telah Diuji Pada

Tanggal: 28 Januari 2014

PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Syafii, M.T., Ph.D

ABSTRAK

Pada sistem sistem disribusi tiga fasa empat kawat arus harmonisa urutan nol atau arus harmonisa ketiga yang ditimbulkan oleh beban nonlinier dapat menimbulkan masalah pada kualitas daya. Penelitian ini memaparkan suatu metode untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol dengan menggunakan zero sequence

blocking transformer dan transformator zig-zag yang masing-masing menggunakan

tiga buah transformator satu fasa. Zero sequence blocking transformer dihubungkan seri dengan sumber memberikan suatu impedansi urutan nol yang besar sementara transformator zig-zag dihubungkan paralel dengan beban dan memberikan suatu impedansi urutan nol yang kecil. Dengan susunan seperti itu maka arus harmonisa urutan nol yang berasal dari sumber ditahan oleh zero sequence blocking transfomer

agar tidak mengalir ke beban dan arus harmonisa urutan nol yang berasal dari sumber dilalukan oleh transformator zig-zag kembali ke beban agar tidak mengalir ke sumber. Untuk mendapatkan impedansi urutan nol yang kecil digunakan transformator satu fasa dengan belitan bifilar.

Guna mengevaluasi kinerja zero sequence blocking transfomer dan transformator zig-zag untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol dan sekaligus juga berarti mengurangi arus pada penghantar netral dilakukan dengan simulasi menggunakan program komputer PSIM dan eksperimen di laboratorium. Hasil simulasi dan eksperimen di laboratorium menunjukkan bahwa penggunaan kombinasi

zero sequence blocking transfomer dan transformator zig-zag secara efektif dapat

mengurangi arus pada penghantar netral hingga lebih dari 95 %.

Kata kunci: arus harmonisa urutan nol; arus netral; beban non linier; zero sequence

ABSTRACT

The zero-sequence harmonics current or the third sequence of harmonic current generated by non-linear loads potentially cause power quality problems on 4-wires 3-phase distributed systems. This research exposes an harmonic current suppression method by utilizing a zero sequence blocking transformer and a zig-zag transformer which employ three single-phase transformers. The zero sequence

blocking transformer is connected serially to the power source to generate a high zero

sequence impedance, while the zig-zag transformer is connected in paralel to the load to produce a low zero sequence impedance. This transformer network resists zero sequence harmonic current from flowing to the load and forwards the zero sequence harmonic current from power source to the load. In order to produce a low zero sequence impedance, bifilar winding is employed for the single-phase transformers.

To evaluate the performance of the zero sequence blocking transfomer and the zig-zag transformer in reducing zero sequence harmonic current as well as decreasing neutral current, the PSIM simulation software was employed and the laboratory-based experiments were performed. The simulation and experiment results show that the combined zero sequence blocking transfomer and zig-zag transformer are able to reduce zero sequence harmonic current so that the neutral current reduced up to more than 95% effectively.

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas berkat rahmat dan ridho-Nya tesis ini dapat disusun dan diselesaikan. Selama menempuh pendidikan dan penulisan serta penyelesaian tesis ini penulis banyak memperoleh dukungan baik secara moril maupun materiil dari berbagai pihak.

Pada kesempatan ini dengan penuh kerendahan hati penulis haturkan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada yang terhormat: Bapak Syafii, M.T., Ph.D dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.si. selaku pembimbing yang di dalam berbagai kesibukan dapat menyempatkan diri membimbing dan mengarahkan serta memberi petunjuk dan saran yang sangat berharga bagi penulisan tesis ini; Bapak Ir. Refdinal Nazir, M.S., Ph.D dan Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si., Ph.D sebagai dosen penguji yang telah banyak memberikan masukan-masukan untuk perbaikan tesis ini; Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM & H, M.Sc (CTM), Sp.A (K) selaku Rektor USU dan Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan FT USU, Bapak Surya Tarmizi Kasim, M.Si. selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah memberikan fasilitas dan kesempatan yang diberikan selama mengikuti pendidikan Program Magister; Pengelola, Staf pengajar dan Staf sekretariat Magister Teknik Elektro serta rekan-rekan Staf pengajar Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah banyak membantu penulis selama mengikuti perkuliahan; Asisten Laboratorium Transmisi dan Distribusi yang telah membantu penulis dalam pengambilan data pada eksperimen yang penulis laksanakan pada laboratorium tersebut; Istri dan anakku yang telah memberikan semangat kepada penulis.

Semoga Allah SWT senantiasa memberikan berkat dan anugerah-Nya berlimpah bagi beliau-beliau yang tersebut di atas. Akhirnya harapan penulis semoga tesis ini bermanfaat bagi kita semua.

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan di bawah ini,

Nama : Zulkarnaen Pane

Tempat/Tanggal Lahir : Lubuk Pakam / 20 Juli 1957 Jenis Kelamin : Laki-laki

Agama : Islam

Bangsa : Indonesia

Alamat : Jln. Budi Pembangunan No. 5 B

Pulo Brayan Kota, Medan. menerangkan dengan sesungguhnya bahwa:

1. Tamatan SD Negeri Tanjung Garbus Tahun 1969

PENDIDIKAN

2. Tamatan SMP Negeri Stabat Tahun 1972 3. Tamatan SMA Swasta Hang Kesturi Medan Tahun 1975 4. Tamatan Teknik Elektro FT USU Tahun 1982 5. Tamatan Magister Teknik Elektro FT USU Tahun 2014

1. Staf Pengajar Fakultas Teknik USU Medan Tahun 1983 - Sekarang

PEKERJAAN

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

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL...viii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR LAMPIRAN ...xiii

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 5

1.3. Tujuan Penelitian ... 7

1.4. Batasan Masalah ... 7

1.5. Manfaat ... 8

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ... 9

2.1. Umum ... 9

2.2. Harmonisa dan Komponen Urutan Fasa ... 10

2.3. Harmonisa Triplen ... 12

2.4. Analisis Arus Konduktor Netral ... 14

2.4.1. Sistem Simetris dan Seimbang ... 15

2.4.2. Sistem Tidak Simetris dan Tidak Seimbang ... 17

2.4.3. Perbandingan RMS Dari Arus Konduktor Netral dan Arus Fasa Pada Sistem Simetris dan Seimbang... 19

2.5. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol ... 21

2.6. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol yang Diusulkan Pada Penelitian Ini ... 24

2.6.1. Transformator Zig-Zag ... 25

2.6.2. Zero-Sequence Blocking Transformer ... 28

2.6.2.2. ZSBT Menggunakan Tiga Buah

Transformator Satu Fasa ... 31

2.6.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Dengan Menggunakan Transformator Zig-Zag ... 34

2.6.4. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Dengan Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Blocking Transformer ... 39

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ... 43

3.1. Tempat dan Waktu ... 43

3.2. Pemilihan Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer ... 43

3.2.1. Transformator Zig-Zag ... 43

3.2.2. Zero Sequence Blocking Transformer ... 45

3.3. Simulasi ... 46

3.3.1. Rangkaian Simulasi ... 47

3.4. Eksperimen ... 51

3.4.1. Bahan dan Peralatan yang Digunakan ... 51

3.4.2. Rangkaian Eksperimen ... 52

3.4.3. Teknik Pengukuran ... 54

BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 58

4.1. Hasil Simulasi dan Pembahasan ... 58

4.1.1. Tegangan Sumber Seimbang ... 58

4.1.1.1. Sebelum Pengurangan ... 58

4.1.1.2. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Seimbang... 60

4.1.1.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Zero Sequence Blocking Transformer dan Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Seimbang... 62

4.1.2. Tegangan Sumber Tidak Seimbang ... 65

4.1.2.1. Sebelum Penggunaan Transformator Zig-Zag ... 65

4.1.2.2. Arus Harmonisa Urutan Nol Sesudah Penggunaan Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Sumber Tidak Seimbang ... 67 4.1.2.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh

Zero Sequence Blocking Transformer dan

4.1.3. Rangkuman Hasil Simulasi ... 73

4.2. Hasil Eksperimen dan Pembahasan ... 74

4.2.1. Sebelum Pengurangan Harmonisa ... 74

4.2.2. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag ... 78

4.2.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Menggunakan Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer... 84

4.2.4. Rangkuman Hasil Eksperimen ... 90

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 92

5.1. Kesimpulan ... 92

5.2. Saran ... 93

DAFTAR PUSTAKA ... 94

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

1.1 Penelitian yang Pernah Dilakukan……….. 3

2.1 Urutan Fasa Komponen Arus Harmonisa………... 12

3.1 Parameter yang Digunakan Dalam Simulasi……….. 46

3.2 Titik Pengukuran Pada Eksperimen……… 57

4.1 Nilai Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa dengan Tegangan Seimbang………. 59

4.2 Nilai Arus Fasa dan Netral Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Seimbang………. 61

4.3 Hasil Simulasi Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Seimbang………... 63

4.4 Hasil Simulasi Sebelum Pengurangan Harmonisa dengan Tegangan Tidak Seimbang……….. 66

4.5 Hasil Simulasi Setelah Penggunaan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Tidak Seimbang………. 69

4.6 Hasil Simulasi Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Tidak Seimbang… 72 4.7 Rangkuman Hasil Pengukuran Arus Pada Sisi Sumber Berdasarkan Simulasi……….. 74

4.8 Hasil Pengukuran Sebelum Pengurangan Harmonisa ……… 75

4.9 Hasil Pengukuran Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator Zig-Zag……….. 79

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

2.1 Arus Netral Yang Besar Pada Sistem Yang Melayani Beban

Non Linear Satu Fasa………... 13

2.2 ` Aliran Arus Harmonisa Ketiga Pada Transformator Tiga Fasa... 14

2.3 Beban Tiga Fasa Seimbang Arus Netral Nol………... 16

2.4 Beban Tiga Fasa Nonlinear Arus Netral Lebih Besar Dari Arus Fasa………... 17

2.5 Transformator Zig-Zag……… 26

2.6 ZSBT dengan Inti Magnet Bentuk E……….. 28

2.7 ZSBT dengan Inti Magnet Toroidal……… 29

2.8 Konfigurasi ZSBT dengan Tiga Buah Transformator Satu Fasa… 31 2.9 Hubungan Tiga Transformator Satu Fasa Yang Disederhanakan... 32

2.10 Konfigurasi Sistem Distribusi Daya Tiga Fasa Empat Kawat dengan Transformator Zig-Zag………... 35

2.11 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol………. 35

2.12 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol, Tegangan Sumber Dihubung Singkat………... 37

2.13 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol, Sumber Arus Rangkaian Terbuka………... 38

2.14 Kombinasi Zero-Sequence Blocking Transformer dengan Transformator Zig-Zag………... 40

Urutan Nol dengan Tegangan Seimbang……… 48 3.2 Rangkaian Simulasi Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol

Oleh Transformator Zig-Zag Dengan Tegangan Seimbang……... 49 3.3 Rangkaian Simulasi Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol

Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag Dengan Tegangan

Seimbang……….... 50 3.4 Rangkaian Eksperimen Sebelum Pengurangan Arus Harmonisa

Urutan Nol………. 52

3.5 Rangkaian Eksperimen Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag………. 53 3.6 Rangkaian Eksperimen Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol

Oleh Zero Sequence Blocking Transformer dan Transformator

Zig-Zag……….. 54

3.7 Diagram Penyambungan Pengukuran Oleh PQ Meter Pada

Sisi Sumber……….... 55 3.8 Diagram Penyambungan Pengukuran Oleh PQ Meter Pada

Sisi Transformator Zig-Zag………... 56 4.1 Spektrum Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa

Pada Kondisi Tegangan Seimbang ………... 58 4.2 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah

Pengurangan Oleh Transformator Zig-Zag Pada Kondisi

Tegangan Seimbang………... 61 4.3 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Pada

Kondisi Tegangan Seimbang Sesudah Pengurangan

Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag……….. 62 4.4 Spektrum Arus Fasa Dan Netral Pada Transformator Zig-Zag Pada

Kondisi Tegangan Seimbang Sesudah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag………. 65 4.5 Spektrum Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan

4.6 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah Penggunaan Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan

Tidak Seimbang……….. 69 4.7 Spektrum Arus Fasa Dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah

Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator

Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Tidak Seimbang………. 72 4.8 Sebelum Pengurangan Harmonisa Dengan Beban Seimbang:

(A) Bentuk Gelombang Arus Jala-Jala Fasa S; (B) Spektrum

Arus Harmonisanya………. 77 4.9 Sebelum Pengurangan Harmonisa: (A) Bentuk Gelombang

Arus Netral; (B) Spektrum Harmonisanya……….. 78 4.10 Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator

Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Jala-Jala Fasa R

Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……… 81 4.11 Setelah Pengurangan Harmonisa Menggunakan Transformator

Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……….. 82 4.12 Setelah Pengurangan Harmonisa Menggunakan Transformator

Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Transformator Zig-Zag; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……….. 83 4.13 Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator

Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer: (A) Bentuk Gelombang Jala-Jala Fasa R Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……….. 88 4.14 Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator

Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……….. 89 4.15 Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator

Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer : (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Transformator Zig-Zag;

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

1. Parameter Transformator... 96 2. Hasil Pengukuran Tegangan, Arus, Frekuensi, Harmonisa,

ABSTRAK

Pada sistem sistem disribusi tiga fasa empat kawat arus harmonisa urutan nol atau arus harmonisa ketiga yang ditimbulkan oleh beban nonlinier dapat menimbulkan masalah pada kualitas daya. Penelitian ini memaparkan suatu metode untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol dengan menggunakan zero sequence

blocking transformer dan transformator zig-zag yang masing-masing menggunakan

tiga buah transformator satu fasa. Zero sequence blocking transformer dihubungkan seri dengan sumber memberikan suatu impedansi urutan nol yang besar sementara transformator zig-zag dihubungkan paralel dengan beban dan memberikan suatu impedansi urutan nol yang kecil. Dengan susunan seperti itu maka arus harmonisa urutan nol yang berasal dari sumber ditahan oleh zero sequence blocking transfomer

agar tidak mengalir ke beban dan arus harmonisa urutan nol yang berasal dari sumber dilalukan oleh transformator zig-zag kembali ke beban agar tidak mengalir ke sumber. Untuk mendapatkan impedansi urutan nol yang kecil digunakan transformator satu fasa dengan belitan bifilar.

Guna mengevaluasi kinerja zero sequence blocking transfomer dan transformator zig-zag untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol dan sekaligus juga berarti mengurangi arus pada penghantar netral dilakukan dengan simulasi menggunakan program komputer PSIM dan eksperimen di laboratorium. Hasil simulasi dan eksperimen di laboratorium menunjukkan bahwa penggunaan kombinasi

zero sequence blocking transfomer dan transformator zig-zag secara efektif dapat

mengurangi arus pada penghantar netral hingga lebih dari 95 %.

Kata kunci: arus harmonisa urutan nol; arus netral; beban non linier; zero sequence

ABSTRACT

The zero-sequence harmonics current or the third sequence of harmonic current generated by non-linear loads potentially cause power quality problems on 4-wires 3-phase distributed systems. This research exposes an harmonic current suppression method by utilizing a zero sequence blocking transformer and a zig-zag transformer which employ three single-phase transformers. The zero sequence

blocking transformer is connected serially to the power source to generate a high zero

sequence impedance, while the zig-zag transformer is connected in paralel to the load to produce a low zero sequence impedance. This transformer network resists zero sequence harmonic current from flowing to the load and forwards the zero sequence harmonic current from power source to the load. In order to produce a low zero sequence impedance, bifilar winding is employed for the single-phase transformers.

To evaluate the performance of the zero sequence blocking transfomer and the zig-zag transformer in reducing zero sequence harmonic current as well as decreasing neutral current, the PSIM simulation software was employed and the laboratory-based experiments were performed. The simulation and experiment results show that the combined zero sequence blocking transfomer and zig-zag transformer are able to reduce zero sequence harmonic current so that the neutral current reduced up to more than 95% effectively.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sistem distribusi tiga fasa empat kawat sudah secara luas digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik pada tegangan rendah, terutama untuk melayani beban-beban satu fasa yang dipasang antara fasa dan netral. Pada sistem distribusi ini arus pada konduktor netral merupakan penjumlahan vektor dari ketiga arus fasa. Dengan beban-beban linear yang seimbang di mana arus pada masing-masing fasa mempunyai perbedaan fasa sebesar 1200 maka tidak ada arus netral. Pada kebanyakan sistem distribusi tenaga yang mensuplai beban-beban satu fasa besar kemungkinan terjadi ketidakseimbangan beban sehingga menimbulkan arus netral yang umumnya tidak lebih dari 20 persen dari arus beban normal pada konduktor fasa [1].

Besarnya arus netral yang terdapat pada sistem-sistem yang mempunyai beban-beban nonlinear dapat menjadi sangat besar yakni berkisar antara 60 sampai dengan 80 persen dari nilai arus fasa [1]. Bahkan berdasarkan hasil survei pada instalasi-instalasi dengan beban komputer di Amerika menunjukkan bahwa 22,6 % mempunyai arus netral yang melebihi arus fasa beban penuh [2]. Ballast induktif yang terdapat pada lampu fluorescent juga menimbulkan harmonisa yang cukup berarti pada konduktor netral, sehingga dapat menimbulkan kebakaran akibat beban lebih pada konduktor netral seperti yang dilaporkan oleh Liew [1].

Berbagai penelitian untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol di dalam jaringan sistem tenaga listrik telah dilaksanakan. Penelitan tersebut meliputi penggunaan filter aktif, filter elektromagnetik, filter pasif dan kombinasinya. Beberapa metode yang menggunakan filter elektromagnetik yang pernah dilakukan dalam penelitian terdahulu diperlihatkan dalam Tabel 1.1. Pada Tabel 1.1 persentase pengurangan arus urutan nol/arus netral dimuat dalam kolom ‘hasil yang dicapai’.

Tabel 1.1 Penelitian yang Pernah Dilakukan

No Peneliti Judul Metode Hasil yang

Dicapai 1 Pekik, A. D [4] A Practical Approach to

Minimize the Zero-Sequence Current Harmonics in Power Distribution Systems

Kombinasi zero sequence blocking

transformer dan

transformator zig-zag (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama, jenis trafo zz: trafo zz tiga fasa)

94,4 % (eksperimen)

2 Syafrudin [5] Metode Baru Pengurangan Harmonisa Pada Sistem Distribusi Tenaga Listrik

Kombinasi zero

sequence blocking

transformer dan

transformator zig-zag (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama, jenis trafo zz: trafo zz tiga fasa)

94,4 % (eksperimen)

3 Qipeng Song [6] A Novel Approach to Eliminate Zero-sequence Harmonic Current

Kombinasi zero sequence blocking

transformer dan

transformator zig-zag (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama, jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa fasa)

No Peneliti Judul Metode Hasil yang Dicapai 4 Qipeng Song [7] Zero-Sequence Harmonic

Current Minimization Using Zero-Blocking Reactor and Zig-zag Transformer

Kombinasi zero sequence blocking

transformer dan

transformator zig-zag (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama, jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa)

5 Syafrudin [8] Zero Sequence Harmonics Current Minimization Using Zero-Blocking Transformer and Shunt LC Passive Filters

Kombinasi zero

sequence blocking

transformer dengan

filter pasif LC (Jenis zsbt: ketiga kumparan dililit pada inti yang sama) 6 Hadzer, C. M

[9]

A Study on Zero-passing Transformer in Harmonics Reduction

Kombinasi

transformator Y-Δ dan filter LC

96 % (eksperimen)

7 Hurng-Liahng Jou [10]

Analysis of Zig-Zag Transformer Applying in the Three-Phase Four-Wire Distribution Power System

Transformator zig-zag (Jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa)

95,41% ( simulasi)

8 Fernando N [11] Three-Phase

Electromagnetic Filter for Zero-Sequence Harmonics

Filter eletromagnetik: tiga buah inti magnetik satu fasa

9 Bhim Sing [12] Magnetic for Neutral Current Compensationn in Three-Phase Four-Wire Distribution System

Trafo zz, trafo YΔ,

trafo scott, trafo hubungan T, trafo star-polygon

10 S.Ranjith Kumar [13]

Zig Zag Transformer performance analysis on harmonic reduction in distribution load

Transformator zig-zag (Jenis trafo zz: tiga buah trafo satu fasa)

92,59 % ( simulasi)

11 Aitor Laka [14] Novel Zero-Sequence Blocking Transformer (ZSBT) Using Three Single-Phase Transformers

Zero sequence blocking transformer

(Jenis zsbt: tiga buah transformator satu fasa)

Pada penelitian sebelumnya zero sequence blocking transformer yang digunakan terdiri dari satu buah transformator tiga fasa dimana ketiga kumparan fasanya dililit pada inti yang sama [4], [5], [6], [7] dan [8]. Kelemahan dari zero

sequence blocking transformer seperti ini adalah jika digunakan pada daya yang besar

akan memerlukan konduktor yang besar pula sehingga sulit mendapatkan distribusi kumparan yang simetris.

Pada penelitian ini diusulkan penggunaan zero sequence blocking transformer

dengan menggunakan tiga buah transformator satu fasa dan transformator zig-zag untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol. Keuntungan dari zero sequence

blocking transformer yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa ini adalah

sederhana dalam pembuatannya dan jika salah satu transformator mengalami kerusakan mudah dilakukan penggantian. Selanjutnya transformator zig-zag yang digunakan juga menggunakan tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar. Dengan belitan bifilar ini transformator tersebut mempunyai reaktansi bocor yang rendah, sekaligus berarti impedansi urutan nol yang rendah pula, sehingga cocok digunakan untuk melalukan arus harmonisa urutan nol dari beban kembali ke beban.

Penelitian akan dilakukan dengan menggunakan simulasi dengan program PSIM dan dengan melakukan eksperimen di laboratorium.

1.2. Perumusan Masalah

seimbang atau beban nonlinear. Kedua karena tegangan sumber yang tidak seimbang atau tegangan sumber terdistorsi. Kehadiran arus harmonisa urutan nol ini akan menimbulkan masalah pada kualitas daya. Oleh karena itu arus harmonisa urutan nol ini perlu dikurangi hingga arus pada konduktor netral mencapai maksimum 20 % dari arus fasa [1].

Penelitian ini mengidentifikasi permasalahan dan mengajukan solusi sebagai berikut:

1. Untuk mencegah arus harmonisa urutan nol mengalir dari sumber ke beban digunakan zero sequence blocking transformer yang dipasang seri pada jala-jala di sisi sumber.

2. Untuk memaksa arus harmonisa urutan nol kembali ke beban, digunakan transformator zig-zag (disebut juga sebagai zero passing transfomer). 3. Untuk menghindari kebutuhan diameter konduktor yang besar untuk daya

besar serta kemudahan perbaikan kerusakan, digunakan tiga buah transformator satu fasa untuk zero sequence blocking transformer.

1.3. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan utama pada penelitian ini adalah untuk mengetahui bagaimana pengurangan komponen arus harmonisa urutan nol pada konduktor fasa dan netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat jika digunakan zero sequence blocking

transformer yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa yang dihubungkan

secara khusus dan transformator zig-zag yang juga menggunakan tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar.

1.4. Batasan Masalah

Untuk penyederhanaan penyelesaian masalah, maka perlu dilakukan pembatasan bahasan masalah, yaitu sebagai berikut:

1. Analisis dilakukan untuk kondisi sistem distribusi tenaga listrik dalam keadaan mantap (steady-state).

2. Pengurangan arus harmonisa urutan nol hanya dilakukan pada sistem distribusi tenaga listrik tegangan rendah tiga fasa empat kawat.

3. Pengurangan arus harmonisa urutan nol dilakukan di jala-jala sistem dan pada sisi beban.

4. Analisis pengurangan arus harmonisa dilakukan dengan bantuan simulasi dengan program PSIM dan eksperimen menggunakan beban nonlinear sebagai pembangkit arus harmonisa urutan nol pada sistem.

1.5. Manfaat

Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah:

1. Memaparkan suatu konsep yang dapat digunakan sebagai suatu alternatif untuk mengurangi arus netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Umum

Pada umumnya sistem distribusi daya listrik menyediakan tegangan yang relatif konstan dengan bentuk gelombang yang sinusoidal bebas dari harmonisa. Pada sistem tenaga, harmonisa didefenisikan sebagai komponen dengan bentuk gelombang sinusoidal yang memiliki frekuensi kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental [3]. Akan tetapi bentuk gelombang sinusoidal ini tidak dapat bertahan pada sisi beban disebabkan semakin lusasnya penggunaan beban-beban nonlinear. Harmonisa timbul justru disebabkan adanya beban-beban nonlinear berupa peralatan-peralatan listrik berbasis elektronik. Beban nonlinear ini menarik arus jala-jala sistem secara tidak linear sehingga menyebabkan bentuk gelombang arus jala-jala-jala-jala sistem terdistorsi menjadi nonsinusoidal yang banyak mengandung harmonisa.

harmonisa yang serius, terutama pada sistem distribusi untuk industri-industri dan gedung-gedung bertingkat.

Pada bab ini akan dijelaskan kontribusi arus urutan nol yang dihasilkan oleh beban nonlinear sebagai sumber arus pada konduktor netral pada sistem distribusi tenaga listrik, metode yang sudah pernah dan yang diusulkan untuk minimisasi arus urutan nol pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat serta analisis dari masing-masing peralatan yang digunakan pada metode tersebut.

2.2. Harmonisa dan Komponen Urutan Fasa

Komponen simetris sudah umum digunakan untuk membantu menguraikan perilaku sistem tiga fasa. Sistem tiga fasa diubah ke dalam tiga sistem fasa-tunggal sehingga lebih mudah untuk dianalisis. Metode komponen simetris dapat digunakan untuk menganalisis respons sistem terhadap arus harmonisa asalkan diperhatikan agar tidak melanggar asumsi-asumsi dasar dari metode ini.

Menurut teorema Fortescue [15], tiga fasor tak seimbang dari sistem tiga fasa dapat diuraikan menjadi tiga sistem fasor yang seimbang. Himpunan seimbang komponen itu adalah:

2. Komponen urutan negatif terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa sebesar 120º dan mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya.

3. Komponen urutan nol terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan dengan penggeseran fasa nol antara fasor yang satu dengan fasor yang lain.

Pada sistem tiga fasa yang seimbang, urutan fasa harmonisa dapat ditentukan dengan mengalikan nomor orde harmonisa h dengan arah perputaran fasa urutan positif [3]. Sebagai contoh, untuk harmonisa ke 2 yaitu h = 2, kita mendapatkan 2 x (0, -120°, +120°) atau (0°, 120°, -120°), yang merupakan urutan negatif. Untuk harmonisa yang ketiga, yaitu h = 3, kita mendapatkan 3 x (0°, -120°, +120°) atau (0°, 0°, 0°), yang merupakan urutan nol. Urutan fasa untuk semua orde harmonisa yang lain dapat ditentukan dengan cara yang sama.

Secara lengkap urutan fasa komponen arus harmonisa pada sistem distribusi daya listrik tiga fasa dapat diberikan seperti pada Tabel 2.1 dengan frekuensi fundamental adalah 50 Hz.

Karena bentuk gelombang yang terdistorsi pada sistem tenaga hanya terdiri dari komponen harmonisa ganjil [3], maka urutan fasa dari harmonisa ganjil dapat disimpulkan sebagai berikut:

[image:31.612.147.495.143.456.2]

Tabel 2.1 Urutan Fasa Komponen Arus Harmonisa

No Orde harmonisa ke-h Frekuensi (Hz) Urutan fasa

1 1 (fundamental) 50 Positif

2 2 (dua) 100 Negatif

3 3 (tiga) 150 Nol

4 4 (empat) 200 Positif

5 5 (lima) 250 Negatif

6 6 (enam) 300 Nol

7 7 (tujuh) 350 Positif

8 8 (delapan) 400 Negatif

9 9 (sembilan) 450 Nol

10 10 (sepuluh) 500 Positif

11 11 (sebelas) 550 Negatif

12 12 (duabelas) 600 Nol

13 13 (tigabelas) 650 Positif

14 dan seterusnya

2.3. Harmonisa Triplen

interferensi telepon. Sering terjadi peralatan mengalami gangguan sebab tegangan fasa ke netral terdistorsi oleh harmonisa triplen yang menimbulkan jatuh tegangan pada konduktor netral.

[image:32.612.230.418.341.488.2]

Gambar 2.1 mengilustrasikan suatu sistem dengan beban-beban nonlinear satu fasa yang benar-benar seimbang dimana terdapat komponen arus fundamental dan harmonisa ketiga. Penjumlahan arus pada titik N menghasilkan komponen arus fundamental pada netral adalah nol, tetapi komponen harmonisa ketiga adalah tiga kali dari yang terdapat pada arus fasa karena mereka sefasa.

Gambar 2.1 Arus Netral yang Besar Pada Sistem yang Melayani Beban Nonlinear Satu Fasa [3]

[image:33.612.248.400.199.411.2]

bersirkulasi dan tidak keluar. Pada transformator hubungan wye-wye dibumikan (bawah) arus harmonisa ketiga mengalir dari sistem tegangan rendah ke sistem tegangan tinggi.

Gambar 2.2 Aliran Arus Harmonisa Ketiga Pada Tranformator Tiga Fasa [3]

2.4. Analisis Arus Konduktor Netral

2.4.1. Sistem simetris dan seimbang

Dengan menggunakan deret Fourier dapat diturunkan persamaan untuk arus fasa yang simetris dan seimbang pada suatu sistem distribusi tiga fasa empat kawat [16].

��(�) =�1sin(��+�1 ) + �3sin(3��+�3) + �5sin(5��+�5) + … .. (2.1)

��(�) =�1sin(�� − 2�

3 +�1) +�3sin�3��� − 2�

3�+�3�+ �5sin�5��� −

2�

3�+�5�+…….. (2.2)

��(�) =�1sin��� − 4�

3 +�1 �+ �3sin�3��� − 4�

3�+�3�+ �5sin�5��� −

4�

3�+ �5�+ … .. (2.3)

Dengan menjumlahkan ketiga arus pada masing-masing fasa maka diperloeh persamaan arus pada konduktor netral,

��(�) =��(�) +��(�) +��(�)

= 3.�3sin(3��+�3) (2.4)

seimbang, maka berdasarkan Persamaan (2.4) arus konduktor netral sama dengan nol dan hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Beban Tiga Fasa Seimbang Arus Netral Nol [17]

Gambar 2.4 Beban Tiga Fasa Nonlinear Arus Netral Lebih Besar Dari Arus Fasa [17]

2.4.2. Sistem tidak simetris dan tidak seimbang

Dengan menggunakan transformasi Fortescue [16] suatu sistem yang tidak simetris dan tak seimbang dapat ditulis sebagai penjumlahan komponen-komponen urutan positif, negatif dan nol. Pada Persamaan (2.5) transformasi Fortescue diterapkan untuk harmonisa ke-h pada arus fasa.

�

�̅

�,ℎ

�̅

�,ℎ

�̅

�,ℎ

�

=

�

1

1

1

1

�

2

�

1

� �

2

� �

�̅

0,ℎ

�̅

1,ℎ

�̅

2,ℎ

�

(2.5)

�

�̅

0,ℎ

�̅

1,ℎ

�̅

2,ℎ

�

=

1 3

�

1

1

1

1

� �

2

1

�

2

�

� �

�̅

�,ℎ

�̅

�,ℎ

�̅

�,ℎ

�

(2.6)

dengan � =��� ��2�

Arus pada konduktor netral merupakan penjumlahan arus ketiga fasa dan diberikan oleh

�̅

�,ℎ

=

�̅

�,ℎ

+

�̅

�,ℎ

+

�̅

�,ℎ

= (1 +�+�2)�̅_1,ℎ + (1 +�+�2)�̅_2,ℎ + 3�̅0,ℎ = 3�̅0,ℎ (2.7)

Karena (1 +�+�2 = 0) maka jumlah komponen urutan positif dan juga jumlah komponen urutan negatif adalah sama dengan nol, jadi hanya jumlah komponen urutan nol saja yang menghasilkan arus pada konduktor netral.

Dari Persamaan (2.7) dapat dilihat bahwa arus pada konduktor netral hanya terdiri dari komponen urutan nol dari arus fasa. Pada jaringan yang simetris dan seimbang komponen urutan nol ini bersesuaian dengan harmonisa orde ketiga.

Dengan mensubstitusikan arus urutan nol orde h dari Persamaan (2.6) ke dalam Persamaan (2.7) memberikan:

�̅_�,ℎ = 3�̅0,ℎ = 3∗ 1

3��̅�,ℎ +�̅�,ℎ +�̅�,ℎ�= �̅�,ℎ +�̅�,ℎ +�̅�,ℎ (2.8)

dengan :

�

_�,ℎ

,

�

_�,ℎ

,

�

_�,ℎ adalah amplitudo harmonisa arus ke h berturut-turut pada

fasa A, B dan C Dengan mengasumsikan

�̅_�,ℎ =�_�,ℎ���� ℎ , �̅�,ℎ = ��,ℎ����,ℎ ,�̅�,ℎ = ��,ℎ����,ℎ,

dengan :

_��,ℎ,��_,ℎ,��,ℎ adalah sudut fasa harmonisa arus ke h berturut-turut pada

fasa A, B dan C

�̅_�,ℎ = ��_�,ℎcos��,ℎ +��,ℎcos��,ℎ +��,�cos��,ℎ�+

�(��,ℎsin��,ℎ +��,ℎsin��,ℎ +��,ℎsin��,ℎ)

(2.9)

Dari persamaan di atas, amplitudo IN,h dan sudut fasa φ_N,h dari harmonisa

ke-h dari arus pada konduktor netral dapat dihitung. Amplitudo IN,h dari harmonisa

ke-h dari arus pada konduktor netral adalah:

��,ℎ = ����,ℎcos��,ℎ+��,ℎcos��,ℎ+��,ℎcos��,ℎ� 2

+��_�,ℎsin��,ℎ+��,ℎsin��,ℎ+��,ℎsin��,ℎ� 2

(2.10) Sudut fasa φ_N,h harmonisa ke-h dari arus pada konduktor netral:

��_,ℎ = ����� �Im (�̅�,ℎ)

Re (�̅_�,ℎ)�

(2.11)

Jika harmonisa (amplitudo dan sudut fasa) dari arus-arus fasa diketahui, kandungan harmonisa dari arus pada konduktor netral dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.10) and (2.11).

2.4.3. Perbandingan RMS dari arus konduktor netral dan arus fasa pada sistem simetris dan seimbang

��

�����

=

�∑(3�6�+3)2

�∑(�_6�+1)2_+∑(�

6�+3)2+∑(�6�+5)2

(2.12)

di mana :

IN : nilai rms dari total arus pada konduktor netral

I fasa : nilai rms dari total arus pada konduktor fasa

I6k+1, I6k+3, I6k+5 : nilai rms dari harmonisa pertama, ketiga, dan kelima

Jika kita tinjau pada suatu kasus ini dimana arus fasa mengandung harmonisa ganjil I2n+1 dimana I2n+1 = qn x I1 (0 ≤q ≤1, n = 1,2,...) atau I3 = q x I1, I5 = q² x I1, I7 =

q3 x I1, I9 = q4 x I1,… … ., maka nilai rms dari arus fasa adalah:

Ifasa = �1 +�2 +�4+�6 + … *�1

=

1

�1−�2 �1 (2.13)

dan nilai rms dari arus pada konduktor netral adalah :

�� = 3* ��2 ₊�8 ₊�14 _{+ … *}� 1

=

3∗�

�1−�6

�

1 (2.14)

Perbandingan rms dari arus pada konduktor netral dan arus fasa adalah:

��

����� = 3��

1−�2

1−�6 = 3��

1−�2

(1−�2 _)(1+�2 _+�4₎ = 3�

�1+�2 _+�4 (2.15)

Nilai maksimum dari perbandingan rms dari arus pada konduktor netral dan arus fasa dapat dicari saat q = 1 (seluruh harmonisa pada arus fasa memiliki besar yang sama)

2.5. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol

Sejauh ini penanggulangan permasalahan akibat harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik secara umum dilakukan dengan tiga cara:

1. Menghindari akibat harmonisa secara langsung pada komponen sistem yang bersangkutan.

2. Mengurangi arus harmonisa di sisi jala-jala sistem. 3. Mengurangi kandungan arus harmonisa pada sumbernya.

Untuk menghindari akibat harmonisa secara langsung pada komponen sistem yang bersangkutan biasanya dilakukan dengan cara derating, yaitu membebani atau mengoperasikan komponen-komponen sistem tersebut, misalnya trafo dan generator atau konduktor netral, di bawah rating nominalnya, atau memperbesar kapasitas komponen sistem tersebut. Misalnya memperbesar kapasitas trafo dan generator atau menambah dan memperbesar ukuran konduktor netral sistem. Cara derating seperti ini hanya dapat mencegah kerusakan akibat harmonisa pada komponen yang bersangkutan saja, tetapi tidak mengurangi kandungan harmonisa pada sistem secara keseluruhan sehingga akibat harmonisa bentuk lainnya tidak dapat ditanggulangi.

Penanggulangan dengan cara kedua yaitu meminimisasi atau menghilangkan komponen arus harmonisa di sisi jala-jala sistem dengan menggunakan:

1. Filter daya aktif

3. Peralatan elektromagnetic seperti trafo Y-∆, autotrafo zig-zag, trafo scott

(T), dan trafo zero-blocking

Penanggulangan dengan menggunakan filter daya aktif untuk meminimasi atau mengurangi arus harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik dilakukan dengan menggunakan komponen-komponen semikonduktor yang dapat dikendalikan. Prinsip kerjanya adalah menginjeksikan ke jala-jala arus yang mempunyai magnitud yang sama dan berlawanan fasa dengan arus harmonisa yang ingin dikurangi. Cara ini sangat efektif akan tetapi harganya sangat mahal dibandingkan dengan cara lainnya [7].

Penanggulangan dengan menggunakan filter pasif dan elektromagnetik memerlukan biaya yang kecil dan strukturnya sederhana. Filter pasif dapat berupa komponen-komponen pasif R, L, dan C yang disusun sedemikian rupa sehingga memberikan impedansi yang rendah atau tinggi terhadap satu atau lebih arus harmonisa dengan frekuensi tertentu. Filter elektromagnetik terdiri dari

peralatan-peralatan electromagnetic seperti trafo Y-∆, autotrafo zig-zag, trafo scott (T), dan trafo zero-blocking [5], [12]. Filter ini mempunyai prinsip kerja yang sama dengan filter pasif. Suatu keuntungan penggunaan filter elektromagnetik adalah tidak memerlukan penalaan seperti yang ditemukan pada filter pasif.

Ada tiga macam cara pemasangan filter elektromagnetik yang bertujuan untuk mengurangi arus urutan nol pada jala-jala:

2. Filter dihubung paralel antara fasa dan netral 3. Filter dihubung seri dan paralel

Filter yang dihubungakan seri antara sumber dan beban menyediakan impedansi urutan nol yang besar dan impedansi urutan positif dan negatif yang kecil sehingga arus urutan nol tidak dapat melewati filter ini sementara arus urutan lainnya dapat. Filter semacam ini berfungsi sebagai zero-blocking. Filter yang dihubung paralel antara fasa dan netral menyediakan impedansi urutan nol yang kecil dan impedansi urutan lainnya yang besar sehingga arus urutan nol dipaksa mengalir melalui filter ini kembali ke beban. Filter semacam ini berfungsi sebagai

zero-passing. Jika dilakukan kombinasi antara cara pertama dan kedua maka arus urutan

nol yang berasal dari sumber tidak dapat mengalir ke beban dan sebaliknya arus urutan nol yang berasal dari beban tidak dapat mengalir ke sumber sehingga arus pada konduktor netral pada sisi sumber dapat dikurangi.

Ada dua metode kombinasi antara zero-blocking dan zero-passing yang pernah diteliti oleh peneliti terdahulu yaitu:

1. Kombinasi transformator zig-zag dan zero sequence blocking transformer

[4], [6], [7].

Akan tetapi sebagian besar peralatan-peralatan listrik penghasil harmonisa tidak dilengkapi dengan filter tersebut. Sebagian pabrikan menyediakan filter untuk produknya tetapi hanya sebagai komponen tambahan saja, artinya harga filter tersebut terpisah dari harga komponen utamanya.

2.6. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol yang Diusulkan Pada

Penelitian Ini

Pada penelitian ini akan diusulkan pengurangan arus harmonisa urutan nol pada sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat dengan cara:

1. Mengalirkan arus harmonisa urutan nol yang ditimbulkan oleh beban nonlinear langsung kembali ke sumbernya dengan menggunakan transformator zig-zag yang dibentuk dari tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar

2. Mengurangi komponen arus harmonisa urutan nol pada jala-jala sistem yang tidak dapat dikurangi oleh transformator zig-zag dengan menggunakan zero sequence blocking transformer yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa

dengan demikian kandungan arus harmonisa urutan nol di jala-jala sistem akan berkurang sehingga arus pada konduktor netral juga akan berkurang.

terdiri dari tiga buah transformator satu fasa yang dihubungkan paralel dan transformator zig-zag juga terdiri dari tiga buah transformator satu fasa dengan belitan bifilar.

Pada bagian berikut pertama sekali akan dibahas mengenai pengurangan arus harmonisa urutan nol oleh transformator zig-zag dan kedua kombinasi antara zero

sequence blocking transformer dengan transformator zig-zag.

2.6.1. Transformator zig-zag

Hubungan transformator zig-zag, sesuai dengan namanya, diperoleh dengan menghubungkan tiga buah transformator satu fasa secara zig-zag seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 [11], [13]. Pada gambar tersebut terminal A, B, dan C masing-masing dihubungkan paralel dengan ke tiga fasa jala-jala dan terminal N dihubungkan paralel dengan titik netral dari suatu sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat. Pada sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat arus urutan nol tiga fasa (�_��(�),�_��(�),�_��(�)) mempunyai magnitud dan fasa yang sama seperti yang dinyatakan oleh:

���(�) = ���(�) = ���(�) (2.16)

Arus netral merupakan penjumlahan dari arus urutan nol tiga fasa yaitu:

C

V_CN

a2 c1

A V_AN

b2

a1

B

V_BN N

b1 c2 iza

izb

izc

A

B

C

a1 a2

b1 b2

c1 c2

N in

Arus masukan mengalir menuju dot pada kumparan primer adalah sama dengan arus keluaran yang keluar dari dot pada kumparan sekunder sebab kumparan primer dan sekunder mempunyai perbandingan belitan 1 : 1, sehingga

(a) Hubungan Transformator Zig-Zag

���(�) =��� (2.18)

�_��(�) =�_��(�) (2.19)

���(�) =���(�) (2.20)

Persamaan (2.18) – (2.20) menunjukkan bahwa arus tiga fasa mengalir melalui kumparan-kumparan transformator adalah sama. Hal ini berarti bahwa transformator zig-zag dapat menyediakan jalan untuk arus urutan nol. Agar transformator zig-zag dapat efektif mengalirkan arus urutan nol maka ia harus mempunyai impedansi urutan nol yang kecil. Impedansi urutan nol pada transformator satu fasa yang digunakan pada tranformator zig-zag adalah reaktansi bocornya [18]. Cara terbaik untuk mendapatkan reaktansi bocor yang kecil adalah dengan menggunakan transformator satu fasa dengan belitan bifilar. Belitan bifilar

adalah sepasang kawat yang berisolasi dililit secara simultan pada suatu inti [19]. Gambar 2.5(b) menunjukkan diagram fasor tegangan pada transformator zig-zag. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa tegangan pada masing-masing

a

I

c

I

b

I

a

I

c

I

b

I

c b

a

φ

φ

φ

+

+

2.6.2. Zero-sequence blocking transformer

Zero-sequence blocking transformer (ZSBT) adalah suatu peralatan elektro

magnetik yang digunakan untuk menahan komponen arus urutan nol. ZSBT mempunyai impedansi yang besar terhadap komponen arus urutan nol dan mempunyai impedansi yang kecil terhadap komponen arus urutan positif dan negatif.

Ditinjau dari cara menggulung kumparannya, ada tiga jenis ZSBT yaitu [14]: a. Digulung pada inti bentuk E;

b. Digulung pada inti toroidal;

c. Menggunakan tiga buah transformator satu fasa.

2.6.2.1. ZSBT dengan inti bentuk E dan toroidal

ZSBT yang menggunakan inti bentuk E dan inti toroidal berturut-turut diperlihatkan pada Gambar 2.6 dan 2.7. Pada kedua jenis ZSBT tersebut, ketiga kumparan mempunyai jumlah lilitan yang sama.

[image:48.612.255.386.122.252.2]

Gambar 2.7 ZSBT dengan Inti Magnet Toroidal [14]

Tegangan pada tiap kumparan, misalnya

�

_�, dihitung dengan menggunakan

hukum Faraday:

�

_�

=

�

���

��

+

�

� ���

��

+

�

� ���

��

(2.21)

di mana,

L = induktansi sendiri fasa a, diasumsikan sama untuk semua kumparan, L0 = induktansi bersama antar kumparan.

Sementara itu induktansi sendiri (L) terdiri dari induktansi bocor kumparan (Llk ) dan

induktansi bersama (L0) atau �= �_�� +�0 sehingga Persamaan (2.21) dapat juga

dinyatakan sebagai:

�� = ��� ��� �� +��

�

��(�� +��+��)

(2.22)

Pada sistem tiga fasa empat kawat arus urutan nol mempunyai amplitudo dan sudut fasa yang sama sehingga dapat dinyatakan sebagai:

�₀ = (��+��+��)

Dengan menganggap distribusi kumparan simetris, induktansi sendiri dan induktansi bersama untuk semua kumparan mempunyai nilai yang sama sehingga arus terbagi sama. Oleh karena itu dengan menggunakan Persamaan (2.22) dan (2.23), tegangan yang diinduksikan oleh arus urutan nol ke seluruh tiga fasa adalah:

�0 =�����_��0+ 3��_��� �0

(2.24)

Dengan pertimbangan bahwa induktansi bersama jauh lebih besar dari induktansi bocor sehingga induktansi bocor ini dapat diabaikan maka impedansi ZSBT untuk komponen arus urutan nol adalah:

�0 = (��� + 3��)ω≈ 3�0�

(2.25)

di mana ω adalah frekuensi sudut.

Arus urutan positif dan negatif adalah komponen arus sinusoidal yang membentuk sistem tiga fasa seimbang, mempunyai pergeseran fasa sebesar 1200 dan mempunyai magnitude yang sama. Jadi, jumlah arus fasa sesaat selalu nol. Impedansi ZSBT untuk arus urutan positif dan negatif dapat diturunkan dari Persamaan (2.22):

2.6.2.2. ZSBT menggunakan tiga buah transformator satu fasa

Skema umum ZSBT yang menggunakan tiga buah transformator satu fasa ditunjukkan pada Gambar 2.8. Sisi primer mempunyai belitan N1 dan sekunder mempunyai belitan N2. Sisi sekunder dari masing-masing transformator dihubungkan paralel.

Gambar 2.8 Konfigurasi ZSBT Dengan Tiga Buah Transformator Satu Fasa [14] Keuntungan dari ZSBT dengan konfigurasi seperti ini adalah sederhana dalam pembuatannya, sehingga cocok digunakan untuk daya besar [14]. Pada penggunaan daya besar, arus yang mengalir pada kumparan relatif besar sehingga memerlukan ukuran konduktor yang besar pula. Sehingga untuk memastikan bahwa komponen arus urutan positif dan negatif tidak menghasilkan flux maka diperlukan distribusi kumparan yang simetris [20]. Jadi kumparan harus digulung secara merata, hal ini sulit dilakukan disebabkan ukuran konduktor yang besar. Hal ini yang ditemukan pada kedua jenis ZSBT yang telah disebutkan pertama.

[image:51.612.222.416.199.398.2]

dari masing-masing transformator satu fasa. Guna penyederhanan analisis, semua tahanan diabaikan dan perbandingan belitan dari masing-masing transformator adalah 1 : 1.

Gambar 2.9 Hubungan Tiga Transformator Satu Fasa yang Disederhanakan [14] Sisi sekunder dari ZSBT dihubungkan wye sehingga jumlah arusnya sama dengan nol:

��2+��2+��2= 0

(2.27)

Tegangan pada sisi sekunder

�

₀ dinyatakan sebagai:

�0 =�0_��� (��1− ��2)

=�0_��� (��1− ��2) =�0_��� (��1− ��2) (2.28)

Dari Persamaan (2.27) dan (2.28), diperoleh persamaan tegangan untuk

�

₀:

di mana L0 adalah induktansi magnetik dari transformator satu fasa:

�

₀

=

�12

�0

=

�12

�� �0� ��

=

�0����12

��

(2.30)

dengan

N1 = jumlah belitan sisi primer,

�� = panjang jalur magnetik,

A = luas penampang inti magnet, R0 = adalah reluktansi inti magnetik,

�0 = permeabilitas ruang hampa,

�� = permeabilitas relatif material inti.

Setelah mengetahui tegangan pada sisi sekunder transformator, tegangan pada sisi primer fasa a dinyatakan sebagai:

�� =���_��� (��1) +�₃0_��� (��1+��1+��1)

(2.31)

Untuk komponen urutan positif dan negatif, impedansi yang ditimbulkan oleh ZSBT adalah impedansi bocor (�12 = ����).

2.6.3. Pengurangan arus harmonisa urutan nol dengan menggunakan transformator zig-zag

Gambar 2.10 menunjukkan konfigurasi pemasangan transformator zig-zag pada sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat. dan Gambar 2.11 menunjukkan rangkaian ekivalen urutan nolnya di mana:

a. ZLN adalah impedansi konduktor netral antara beban dan transformator

zig-zag.

b. ZSN adalah impedansi konduktor netral antara sumber dan transformator

zig-zag.

c. ZS adalah impedansi antara sumber dan transformator zig-zag.

d. ZZZ adalah impedansi transformator zig-zag (ekivalen dengan reaktansi

bocor).

e. ZJ adalah impedansi jala-jala antara sumber dengan transformator zig-zag.

SN

Z ZLN

i i i

Transformator Zig- zag

za zb zc

Ln i ZZ Z zn i sn i La i Lb i Lc i Beban ZSBT ZB

Z

Sumber ZS

S

Z

S V SN

Z

SN

i

LN Z LO i J

Z

ZN

i

LN

i

ZZ Z

Gambar 2.10 Konfigurasi Sistem Distribusi Daya Tiga Fasa Empat Kawat Dengan Transformator Zig-Zag

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol

setiap fasa tidak sama, perubahan fasa yang tidak normal meskipun beban-beban dalam kondisi seimbang, dan akibat tegangan sumber yang terdistorsi. Misalkan tegangan ketiga fasa (�_��(�),���(�),���(�)) adalah tidak seimbang, maka tegangan urutan nol dapat dinyatakan sebagai [16]:

�

_�0

(

�

) =

1

3

(

�

��

(

�

) +

�

��

(

�

) +

�

��

(

�

))

(2.32)

Selanjutnya �_�0(�) adalah sumber arus urutan nol, di mana terdiri dari arus beban fundamental yang tidak seimbang dan arus urutan nol dari arus beban harmonisa dan dapat dinyatakan sebagai

�

_�0

(

�

) =

1

3

(

�

��

(

�

) +

�

��

(

�

) +

�

��

(

�

))

(2.33)

Dalam Gambar 2.10 dan 2.11 ZZZ adalah impedansi urutan nol dari

transformator zig-zag. Pengaruh ��0(�) dan ��0(�) terhadap arus netral pada sisi

S

Z

ZZ

Z

SN

Z

Z_LN

LO

i

J

Z

SN

i'

Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol, Tegangan Sumber Dihubung Singkat

Jadi arus netral sisi sumber ���′ (�) yang disebabkan oleh ��₀(�) dapat dinyatakan sebagai

�

��′

(

�

) =

_{���+���}�₊��_{���+���}

�

�0

(

�

)

(2.34)

Persamaan (2.34) menunjukkan bahwa magnitud arus netral sisi sumber yang disebabkan oleh ��₀(�) akan diperkecil setelah menggunakan transformator zig-zag. Keefektifan dari cara ini terutama ditentukan oleh perbandingan antara impedansi urutan nol dari transformator zig-zag (ZZZ) dengan impedansi lainnya. Jika ZZZ

diperkecil atau ZSN diperbesar maka ���′ (�) pada sisi sumber akan lebih kecil lagi.

Untuk memperoleh nilai ZZZ yang kecil dapat dilakukan dengan mengurangi

reaktansi bocor sedangkan untuk memperbesar ZSN dapat dilakukan dengan

memasang transformator zig-zag dekat ke sisi beban. Jadi semakin kecil nilai ZZZ

S

Z

ZZ

Z

SN

Z

ZLN

J

Z

SO

V

SN

I”

Akan tetapi tidak mungkin membuat nilai ZZZ mendekati nol sehingga bagaimanapun

masih ada arus urutan nol yang mengalir ke sumber.

Untuk melihat pengaruh ��₀(�) maka ��₀(�) harus dipandang sebagai suatu rangkaian terbuka seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol, Sumber Arus Rangkaian Terbuka

Arus netral pada sisi sumber yang disebabkan oleh �_�0(�) dapat dinyatakan sebagai

�

��′′

(

�

) =

_{���+���+}1_{���+���}

�

�0

(

�

)

(2.35)

Dengan demikian arus netral menuju ke sumber dapat diperoleh dengan menjumlahkan Persamaan (2.34) dan (2.35) dan dapat dinyatakan sebagai

�_��(�) =_� 1

�+�_�+�_��+�_�� ��0(�) +

���

��+�_�+�_��+�_�� ��0(�) (2.36)

zig-zag. Akan tetapi pada kebanyakan sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat, umumnya impedansi sumber dan konduktor netral sangat kecil. Jika impedansi transformator zig-zag jauh lebih kecil dari impedansi sumber dan jala-jala dapat mengakibatkan arus netral yang cukup signifikan akan mengalir melalui tranformator zig-zag meskipun hanya terdapat sedikit ketidakseimbangan pada tegangan sumber. Arus netral yang cukup signifikan ini dapat merusak transformator zig-zag. Tentu saja hal ini merupakan peristiwa yang tidak diinginkan dari penggunaan transformator zig-zag. Untuk menghindari masalah ini, transformator zig-zag tidak dianjurkan untuk digunakan pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat dengan tegangan sumber yang tidak seimbang atau tegangan sumber yang terdistorsi kecuali suatu impedansi lain disisipkan pada sisi sumber.

2.6.4. Pengurangan arus harmonisa urutan nol dengan kombinasi transformator zig- zag dan zero sequence blocking transformer

sn

i iLn

LN Z SN Z zn i

i i i

Transformator Zig- zag

za zb zc

ZZ Z La i Lb i Lc i Beban ZSBT ZB

Z

S Z Sumber

pada transformator tersebut. Bagi transformator zig-zag berarti ada dua sumber arus urutan nol yang mengalirinya, yakni dari sumber daya dan dari beban nonlinear. Tentu saja hal ini tidak diharapkan karena akan menimbulkan pemanasan yang berlebihan pada tranformator zig-zag. Jadi untuk mengatasi hal ini perlu disisipkan

zero sequence blocking transformer (ZSBT) diantara sumber dan transformator

zig-zag. ZSBT akan mencegah arus urutan nol mengalir dari sumber ke beban dan sebaliknya tranformator zig-zag akan mencegah mengalirnya arus urutan nol dari beban ke sumber. Dengan demikian terjadi pengurangan arus urutan nol yang mengalir pada konduktor netral.

Konfigurasi sistem pemasangan ZSBT dan transformator zig-zag ditunjukkan pada Gambar 2.14 dan rangkaian ekivalen urutan nolnya ditunjukkan pada Gambar 2.15.

Gambar 2.14 Kombinasi Zero-Sequence Blocking Transformer

J

Z

ZB

Z

S

Z

SN

Z

SO V ZZ Z ZN

i

LN Z LO i SN

i

Gambar 2.15 Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Dari Kombinasi ZSBT Dan Transformator Zig-Zag

Dengan rangkaian seperti pada Gambar 2.15, dan dengan menggunakan teorema superposisi, besar arus pada konduktor netral yang menuju sumber, �_��(�) , yang disebabkan oleh tegangan urutan nol sumber, �_�0(�), dan arus urutan nol beban, ��₀(�), dapat dinyatakan oleh.

�

��

(

�

) =

_{��+���+�}1_{�+���+���}

�

�0

(

�

) +

_� ���

�+�_��+�_�+�_��+�_��

�

�0

(

�

)

(2.37)

Dari Persamaan (2.37) dapat dilihat bahwa dengan adanya kombinasi ZSBT dengan transformator zig-zag akan memperbesar penyebut persamaan tersebut. Uumnya impedansi ZSBT (�_��) jauh lebih besar dari (�_�+�_� +�_�� +�_��)

sehingga arus harmonisa urutan nol yang ditimbulkan oleh tegangan sumber dapat dikurangi. Sehingga dengan kombinasi antara trafo zig-zag dengan zero sequence

blocking transformer akan lebih mengurangi arus harmonisa urutan nol dan sebagai

konsekuensinya akan mengurangi arus yang mengalir pada penghantar netral.

�

_��

(

�

) =

���

��+�_��+�_�+�_��+�_��

�

�0

(

�

)

(2.38)

Persamaan (2.38) ini menyatakan bahwa meskipun tegangan sumber tidak mengandung tegangan harmonisa urutan nol namun ZSBT masih tetap mempunyai kontribusi dalam mengurangi arus harmonisa urutan nol. Dengan hadirnya impedansi ZZB secara matematis akan memperbesar penyebut Persamaan (2.38) sehingga arus

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

Penelitian akan dilakukan dengan simulasi dan eksperimen di Laboratorium Transmisi dan Distribusi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU. Waktu penelitian dilaksanakan selama 2 bulan.

3.2. Pemilihan Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer

Dalam penelitian ini akan digunakan tiga buah transformator satu fasa masing-masing untuk transformator zig-zag dan zero sequence blocking transformer

sehingga jumlah transformator satu fasa yang digunakan berjumlah 6 unit. Ada dua jenis transformator satu fasa sesuai dengan peruntukkannya. Jenis pertama untuk zero

sequence blocking transformer (diberi kode TR 11, TR 12 dan TR 13) dan jenis

kedua untuk transfomator zig-zag (diberi kode TR 21, TR 22 dan TR23).

3.2.1. Transformator zig-zag

Diasumsikan arus beban yang akan mengalir pada penghantrar fasa (IL) adalah

4A.Arus maksimum yang akan mengalir melalui penghantar netral (IN) adalah:

IN = 1,732 x 4 = 6,928 A

Arus yang mengalir pada masing-masing kumparan transformator zig-zag perfasa adalah:

IZ =

IN

3 = 6,928

3 = 2,31 A

Tegangan pada masing-masing kumparan transformator (Vp) adalah 1⁄√3 dari

tegangan fasa ke netral:

V_p = 0,577 x 220 = 127 V

Kapasitas transformator:

S = 2,31 x 127 = 293,37 VA

Jadi spesifikasi transformator satu fasa untuk transformator zig-zag adalah:

• Tegangan kumparan: 127 V/127 V

• Kapasitas: 300 VA

• Perbandingan belitan 1 : 1

3.2.2. Zero sequence blocking transformer

Transformator satu fasa yang akan digunakan sebagai Zero sequence blocking

transformer adalah transformator yang telah tersedia di Laboratorium Transmisi dan

Distribusi dimana spesifikasi transformator tersebut adalah 500 VA; 133/133 V. Untuk memeriksa apakah transformator ini bisa digunakan sebagai zero sequence

blocking transformer maka terlebih dahulu harus diketahui impedansi urutan nolnya.

Impedansi urutan nol ini adalah impedansi magnetik dari tranformator satu fasa.

Suatu zero sequence blocking transformer harus mempunyai impedansi urutan nol yang besar dan harus jauh lebih besar dari impedansi urutan nol transformator zig-zag. Berdasarkan hasil pengujian open circuit test dan short circuit test (Lampiran A) terhadap transformator satu fasa yang akan digunakan sebagai zero sequence

blocking transformer (transformator dengan kode TR 11, TR 12 dan TR 13)

impedansi urutan nolnya rata-rata adalah 1111,86 ohm dan nilai ini jauh lebih besar dari dibandingkan dengan impedansi urutan nol transformator transformator zig-zag yang hanya rata-rata 4,4908 + j0,2 ohm. Berdasarkan fakta ini dapat diputuskan bahwa transformator satu fasa 500 VA, 133/133 V dapat digunakan sebagai zero

3.3. Simulasi

Simulasi dilakukan dengan program komputer PSIM pada kondisi tegangan seimbang dan tidak seimbang dengan beban seimbang. Pelaksanaan simulasi bertujuan untuk membuktikan pendekatan kebenaran formulasi yang tersedia terhadap performansi Transformator zig-zag dan Zero sequence blocking transformer

untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol atau arus netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat. Hasil simulasi unumnya dapat dimanfaatkan untuk perkiraan perhitungan dan perencanaan.

Beban yang digunakan dalam simulasi ini adalah penyearah satu fasa yang dibebani oleh kapasitor (C) dan tahanan (R) yang dihubungkan paralel. Parameter-parameter yang digunakan dalam simulasi ini serta sumber perolehan Parameter-parameter tersebut ditunjukkan pada Tabel 3.1 dan rangkaian simulasi ditunjukkan pada Gambar hingga Gambar 3.3. Karena yang akan ditinjau adalah kondisi steady state maka durasi simulasi yang diperlukan adalah antara 0,4 sampai 0,5 detik.

Tabel 3.1 Parameter yang Digunakan Dalam Simulasi

No Komponen Parameter Sumber perolehan

parameter

1 Tegangan Sumber

Seimbang (Vpeak) 311∠ 00, 311∠ -1200, 311∠ 1200 Asumsi

Tidak Seimbang (Vpeak) 311∠ 00, 283∠ 1150, 339∠ 2500 Asumsi 2 Impedansi sumber dan

jala-jala

0,5 Ω; 0,2 mH Asumsi

No Komponen Parameter Sumber perolehan parameter

4 Zero sequence blocking transformer:

TR 11

TR 12

TR 13

R1= 2,1061 Ω, R2= 2,1061 Ω

X1 = 0,01125 H, X2 = 0,01125 H

Xm = 4,0578 H

R1= 2,065 Ω, R2= 2,065 Ω

X1 = 0,01165 H, X2 = 0,01165 H

Xm = 3,2826 H

R1= 2,1119 Ω, R2= 2,1119 Ω

X1 = 0,01153 H, X2 = 0,01153 H

Xm = 3,2825 H

Pengujian beban nol dan hubung singkat (lihat Lampiran A)

Transformator Zig-zag: TR 21

TR 22

TR 23

R1 = 2,7822 Ω, R2 = 2,8934 Ω

X1 = 0,000412 H, X2 = 0,000412 H

Xm = 4,1529 H

R1 = 1,9401 Ω, R2 = 1,9401 Ω

X1 = 0,00026 H, X2 = 0,00026 H

Xm = 4,0902 H

R1 = 1,9584 Ω, R2 = 1,9584 Ω

X1 = 0,0001437 H, X2 = 0,0001437 H

Xm = 3,5710 H

Pengujian beban nol dan hubung singkat (lihat Lampiran A)

5 Penyearah satu fasa

Rangkaian paralel R dan C

Diode threshold voltage = 0,73 V Tahanan dioda = 0,0087 Ω Nilai tahanan R = 100 Ω Nilai kapasitansi C = 125μF

Asumsi

3.3.1. Rangkaian simulasi

Rangkaian simulasi ditunjukkan pada Gambar 3.1 hingga Gambar 3.3. Rangkaian simulasi tersebut digunakan untuk tegangan sumber seimbang dan tidak seimbang. Pada gambar-gambar tersebut ditunjukkan pula titik-titik pengukuran

tegangan dan arus. Parameter yang digunakan dalam simulasi ini sudah ditampilkan pada Tabel 3.1.

[image:68.612.123.530.122.481.2]

[image:69.792.127.644.118.456.2]

3.4. Eksperimen

Untuk me