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.
Resonansi timbul apabila reaktansi induktif dari sistem dan reaktansi
kapasitif dari kapasitor bank sama besarnya pada salah satu frekuensi harmonisa tertentu. Karena reaktansi dari kapasitor berbanding terbalik dengan frekuensi, maka
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
Gambar 1.1 Bentuk gelombang dan spektrum yang dihasilkan beban linier dan beban non linier
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)
Filter Second Order Damped merupakan bagian dari tipe filter pasif yang dapat berfungsi meminimalisasi arus harmonisa yang timbul pada sistem. Ada dua jenis filter pasif, yaitu filter seri dan filter shunt. Filter seri dirancang mampu untuk
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 d. Membandingkan hasil pengukuran dengan simulasi.
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.
